一番浴びている素粒子は？

Question

物理学には疎い私ですが、さまざまな啓蒙書（専門書ではない）を読んで、素粒子にもいろいろ種類があるのだと思いました。そこで質問ですが、われわれが普通に地球上で生活していて、もっとも浴びている素粒子って何でしょう？？

私は、主に太陽からやってくるニュートリノだと思います。あ、光子もかなり多いですね。光子かな？

なんて思ってますが、概算の数を数える方法もわからないです。

ですので、
１．地球上（もちろん地下でも）で生活していて、最もたくさん浴びていると思われる素粒子とその根拠
２．できれば、その具体的な量

をご回答ください。もちろん片方だけでもＯＫです。
よろしくお願いします。

noname#108554 · Accepted Answer

太陽からやってくる素粒子は、
光子、電子ニュートリノ、陽子、グラビトン（？）です。
ほぼ間違いなくニュートリノが多いです。
概算を出します。

1.ニュートリノ
太陽内部の陽子からヘリウムが生成される過程(pp-chain;ほかの過程もありますが、これが主な過程です。)において、
ニュートリノは、一陽子あたり0.5個生成されます。
太陽内部では、毎秒7億トンの水素がヘリウムに変わっていますので、
ニュートリノ生成率は、毎秒2×10^38個になります。
地球-太陽間の距離は1億5千万kmなので
地球の位置では、毎秒1cm^2あたり9×10^11個のニュートリノが通過していきます。
約1兆個です。
2.光子
太陽は黒体放射(第一近似では十分です。;温度にして6400K)しているので、
温度が分かれば光子が何個発生しているかが計算できます。
公式は、光子数(/cm^3)=20×温度(K)^3
従って、太陽表面における光子の数密度は、
1立方cmあたり5×10^12個
これに光速×太陽の表面積をかければ、太陽表面全体から何個の光子が放出されているかが算出されます。
結果は、9×10^45(/s)
これを4π(太陽-地球間の距離)^2で割ったものが、求める数値で、
結果は、3×10^18(個/cm^2・s)
あらあら、意外と光子が多くなってしまいました。

ここで注意してほしいのは、この10^18個の光子は、
太陽内部で作られたものそのものではないことです。
太陽内部で作られる光子はガンマ線の形をしていますが、
そこから、200万年かかって太陽表面まで浸み出して来ます。
ガンマ線として作られたばかりの光子はせいぜいニュートリノと同程度の数しかないですが、
陽子・電子と衝突してエネルギーを失い、結果として
可視光の形で放出されるのです。

注意その2として、地上にはこれほどの光子は届きません。
地球大気に吸収されてしまいます。
でも、1%（数字は適当）は届くとして、毎秒1cm^2あたり1京個ぐらいは届くのかな？

3.陽子
これは計算できません。（私には）
資料も発見できませんでしたが、いわゆる太陽風というやつで、
個数は光子、ニュートリノと比べて圧倒的に少ないです。

4.グラビトン
さて、これからは妄想に入ります（笑）
グラビトンは太陽内部では主に陽子の加速運動により、
生じているはずです。
陽子は、光子と相互作用しており、熱平衡状態にあります。
すると、グラビトンと光子も熱平衡状態にあるとしてよいでしょう。（？）
つまり、グラビトンも光子と同程度に発生しているはずで、
違いは、スピンの自由度のみとなります。
グラビトンのスピンは2（光子は1）なので、
地球付近には光子の2倍の個数のグラビトンが、到達しています。
つまり、6×10^18(個/cm^2・s)となります。
これに加えることの、太陽が銀河系を周回していることによって生じる重力波由来のグラビトンとか・・・
宇宙背景グラビトンとか・・・これは、おそらくたいした数にはならないと・・・

以上、私の結論は、
グラビトン、光子、ニュートリノ、陽子の順になります。
ほんとかー？？

u13 · Answer

u13です。

>つまり、電磁気力の担い手はフォトンだとされていますが、
>正確にはバーチャル・フォトンと呼ばれ、
>このフォトンは観測できないのです。
>
>普通のフォトンは荷電粒子が加速運動したり、
>粒子の崩壊・生成に伴って放出されます。
>
>u13>グラビトンって、重力を媒介するわけだから太陽から放出される量は
>u13>太陽の質量だけで決まるのではないかと思いますが違ってます?
>
>多分、以上の理由から太陽質量から決まるグラビトンは、
>バーチャル・グラビトンで、観測はできないと思います。

御意。バーチャルXXXトンを対象にしたらこの質問が訳わからなくなってしまいますね。大体人間もバーチャルフォトンを浴びている、というか作りまくってるわけですからねぇ。

>もしや、u13さんは、あの有名な施設...
壊れて復旧中ですが、たぶん当たりです。でも、最近、（というか最初から)この業界は体が資本で頭を使ってないので教えて！gooでもアホさ加減を披露してしまっています。他の皆さんはもっと優秀なので誤解のなきよう(^^;)。

ちなみに、ニュートリノは最近は質量あり、で決まりつつあります。で、重力相互作用は当然しますが、質量があまりに小さいためそう簡単には止められないと思います。ニュートリノが質量を持っているとその重力相互作用で宇宙の膨張を止めるんじゃないか、と思われていましたがどうやら数桁ほど軽すぎる様子です。、、、脱線してきたのでこの辺でやめます。

noname#108554 · Answer

>実は、「重力って無限遠点にまで作用するから・・・うんぬん」を書こうと思ったのですが、
>重力子についてほとんど知らないのでやめました。 

いやいや、私も素粒子論勉強しようと思って途中で挫折しましたので、実はここに書いているのは大嘘かもしれません。

とくにグラビトンについてはほんとに妄想なのであまりきにしないでください。

とは言うものの。先のお礼やu13さんへのコメントです。

>と、なると、未発見のものも含めれば（あ、グラビトンも未発見でした）、
>ヒグス場を仲立ちするヒグス粒子もその数は多いのかな？と思います。
>なんせ、質量を与えている粒子ですから。 

いや、これが素粒子論のへんなところですが、私はへんだと思っていたのですが、
基本粒子だからといって、実際に宇宙に存在するかというと、これがまた別なのです。

いや、おそらくヒッグスは存在はするでしょうが、
電子や陽子のように太陽の中に大量に存在するということはありえません。
ヒッグス粒子は、質量1TeVといいますから、
陽子の実に1000倍。こんな粒子が大量にあったら、
太陽標準模型はふきとんでしまいます。

どういうことかというと、ヒッグス粒子とヒッグス場は区別して考える必要があります。
ヒッグス場を粒子解釈したものがヒッグス粒子なわけですが、
常に粒子解釈が可能ではないということです。

フォトンやグラビトンにしても同様で、
電磁場や重力場を量子化=粒子解釈したものがフォトン・グラビトンになるわけですが、
例えば、電荷間の引力たるクーロン場、これを
無理に粒子解釈すると質量が0でない場が出てきます。
これは、バーチャル・フォトンと呼ばれるもので、
観測は不可能です。

つまり、電磁気力の担い手はフォトンだとされていますが、
正確にはバーチャル・フォトンと呼ばれ、
このフォトンは観測できないのです。

普通のフォトンは荷電粒子が加速運動したり、
粒子の崩壊・生成に伴って放出されます。

u13>グラビトンって、重力を媒介するわけだから太陽から放出される量は
u13>太陽の質量だけで決まるのではないかと思いますが違ってます?

多分、以上の理由から太陽質量から決まるグラビトンは、
バーチャル・グラビトンで、観測はできないと思います。
いや、リアル・グラビトンでさえ、観測できないですけど。今のところ。
ここで私が書いているグラビトンは、
例えば太陽内部で陽子-陽子の衝突が起きているわけですが、
そのときの加速度変化(これは、フォトンの場合の電荷を加速した場合に放出されるフォトンに相当)により、
放出されるグラビトンを想定しています。
理屈からすれば、人間が走ったって、グラビトンが放出されてるはずですが、
どうやって算出したものか。

ニュートリノ通信・・・水槽を持ち歩くのかな？
は、ともかく、宇宙背景ニュートリノを観測するのは
実験屋さんの夢だそうです。
今の実験装置で観測するにはエネルギーが低すぎます。

u13 · Answer

自己フォロー+αです。

＞地下に潜ればニュートリノの一人勝ちなんですが、、、
グラビトンも地下まで届くので負けるかもしれないですね。

で、+αですが、ibm_111さん、グラビトンって、重力を媒介するわけだから太陽から放出される量は太陽の質量だけで決まるのではないかと思いますが違ってます?そうすると地球上の人間は主に地球からのグラビトンつまり、重力加速度ｇの分だけのグラビトンを浴びていることになると思います。数の計算の仕方はわからないです。申し訳ないです。

u13 · Answer

ニュートリノに援護射撃します。

現在宇宙にはビッグバンの名残のニュートリノが１ccあたり数百個存在していると考えられています。残念ながらこのニュートリノはエネルギーが小さすぎて他の粒子と全くといっていいほど反応しないので今のところ観測できるめども立っていませんが。まぁ、反応しないからこそ今まで残っているともいえます。

で、ニュートリノは止まっていられないので常にほぼ光速で飛び交っているので、ざっと計算すると１平方センチメートルあたり毎秒１０の１３乗個（～１０兆個)ほど通過していることになります。ibm_111さんの計算の太陽ニュートリノより一桁上がりましたがまだ光子には負けてしまうんですね。残念。私たちが実験している地下に潜ればニュートリノの一人勝ちなんですが、、、

いずれにしても、ニュートリノは人間の体はもとより地球すらほとんど何事も無かったかのように素通りするので何の役にも立たないのが悲しいです。

noname#108554 · Answer

そいや、アクシオンなんてのもありましたね。
この粒子は、暗黒物質の候補で、まだ存在は確認されてません。
想定質量は、10^-5eVといいますから、
電子の2000億分の1ぐらいの質量です。
これが暗黒物質の候補ってことは、
宇宙を閉じさせる臨界密度の20%ぐらいはアクシオンの可能性があります。
これは期待できそうです。
概算してみます。

臨界密度は、だいたい、陽子の個数にして、10^-6個cm^-3ぐらいです。
するとアクシオンでは、1cm^3あたり10^8個ぐらいあるということになります。
さて、このアクシオン、数は多いのですが、実は冷たい暗黒物質なのです。
ですので、単位面積あたり単位時間あたりに地球にやってくる個数（フラックスといいます。）を求めるには、光速をかけるというわけにはいきません。
ここでは、その代わりに、背景放射に対する銀河系の速さ、およそ300km/sを代わりにかけることにします。
つまり、アクシオンは地球に300km/sの速さで突っ込んできます。
ので、アクシオンの個数フラックスは、
3×10^15個/cm^2・sとなります。

以上の考察から、
グラビトン・光子・アクシオン・ニュートリノ・陽子
という順番になります。

uhyohyohyo · Answer

えっと、やはり太陽ニュートリノじゃないでしょうか。一秒間に数千億が人の体を突き抜けていると言うのを聞いたことがある(ような気がします・・・)。素粒子はあまり専門ではないのでそのくらいしかわかりませんが・・・

「素粒子」という言葉も時代時代によって定義が変わっていったり曖昧だったりするんですよ。「その時代」で発見されている究極の粒子という定義の仕方、すなわちそれ以上の内部構造を持つことを見出されていないこと、が一般的のようです。

話を「放射線」全般に拡張すると明らかに光子でしょう。赤外線、可視光線、紫外線、X線、γ線すべてがひかりですから。

今度は話を「電離性放射線」に限定すると、普通に生活をしていて一番受けるのはγ線でしょうね。これはカリウム-40という放射性同位体から放出されています。カリウムのうちの0.0117%がこの同位体なので、体重60kgの人だと大体一秒間に3700個、もちろん大地や建物からもγ線を放出してます。地球上ありとあらゆる所にカリウムは存在するので逃れることはできないですね。そのカリウムからは前段階の過程として軌道電子捕獲と言われる現象が起きています。これに伴い、オージェ電子あるいは特性X線と呼ばれるものも発生してますので、体の内部ではこれを受けてることになりますね。また、その軌道電子捕獲との競合過程としてβ-崩壊(電子放出)が起こっており、それも食らってます。

炭素14の崩壊によるβ-線も実はかなり多いんじゃないでしょうか。炭素14は絶えず地球を循環しており、生きているものには常に一定割合で含まれています。人体の元素の組成として炭素が何％であり、全炭素のうち何％が14であるのかが分かれば計算できるのですが、それが分からないのでスミマセン・・・。

あと、宇宙線の大部分が高エネルギー陽子線ですから、地球の大気に入射した時の核反応で色々と粒子が発生しています。この数は前に掲げた二つに比べるとたいした数ではないと思いますけど。

書いていて、どれが一番多いか？というと結構色々考えて総合しなきゃならないなと思いました。とりあえず今すぐ書けることはこんなところです。

一番浴びている素粒子は？

太陽からやってくる素粒子は、

u13です。

>実は、「重力って無限遠点にまで作用するから・・・うんぬん」を書こうと思ったのですが、

自己フォロー+αです。

ニュートリノに援護射撃します。

そいや、アクシオンなんてのもありましたね。

この回答への補足

えっと、やはり太陽ニュートリノじゃないでしょうか。

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