複数のフェルミオンが、通常は同じ量子状態を占めることができませんが、フェルミオン凝縮として知られる状態に到達し、そこですべてのフェルミオンが最も低いエネルギー配置を達成することができるのです。 これは物質の6番目の状態である。 Wolfgang Ketterle / MIT / Center for Ultracold Atoms
物質の状態はいくつあるのだろう？ 幼い頃、私たちの経験で最も一般的な3つ、固体、液体、気体について学んだことでしょう。 岩石や氷は固体、水や多くの油は液体、そして私たちが呼吸する大気は気体です。 しかし、これら3つの一般的な物質の状態は、すべて中性原子に基づいており、宇宙が束縛されていない制約があります。
どの原子にも十分なエネルギーを与えると、電子を蹴落とし、電離したプラズマが生まれます。 しかし、さらに2つの物質状態が存在する。 ボース・アインシュタイン凝縮とフェルミ粒子凝縮であり、物質の第5と第6の状態である。 現在、これらの状態は実験室の極端な条件下でしか実現できませんが、宇宙そのものにおいて重要な役割を担っているかもしれません。 9270>
は、温度と転移の速さによって、固体（氷）または気体（水蒸気）になることが著しく異なります。 十分に高い温度では、すべての原子ベースの物質は電離したプラズマになります：物質の第4の状態。 Wikimedia Commons / Matthieumarechal
ここ地球上では、すべてのものが原子でできている。 原子が結合して分子を形成するものもあれば、単体で存在するものもある。 水、酸素、メタン、ヘリウムなど、特定の化学化合物の原子の数にかかわらず、温度と圧力の条件の組み合わせによって、それが固体、液体、気体のいずれになるかが決まります。
最も有名な水は、低温と適度な圧力で凍り、より高圧または高温で液体となり、さらに高温または非常に低圧で気体となります。 しかし、この区別がなくなるのは、約374 °C (705 °F) を超える臨界温度です。 低圧ではまだ気体だが、高圧では気体と液体の両方の性質を持つ超臨界流体となる。
粒子の温度/エネルギーが十分に高ければ、個々の陽子と中性子さえ安定的に形成できない、クォーク・グルーオン・プラズマとして知られる一時的な状態を作り出すこともあります。 これは、電子と原子核がうまく結合して安定な中性原子を形成できない、より標準的なプラズマの核的な類似点である。 ブルックヘブン国立研究所／RHIC
物質の状態に関するほとんどの議論はここで終わってしまいますが、科学的な話はこれで終わりではありません。 実のところ、それは原子的な部分の終わりでしかないのです。 残りの部分は、原子より小さな粒子の世界である素粒子の世界に踏み込む必要がある。 電子は、原子核の周りを回る、原子中の負の電荷を帯びた粒子で、高エネルギーではじき出されて電離したプラズマを形成するのと同じ粒子です。 原子核は陽子と中性子で構成され、陽子は3個のクォークでできています。 陽子と中性子の中では、グルーオンやクォークと反クォークのペアが、それぞれの複合粒子の中で絶えず生成、破壊、放出、吸収されている。 すべての陽子と中性子の内部は厄介な素粒子の世界です。
そのスピンもそうですが、グルーオン、シークォークと反クォーク、そして軌道角運動量もそうなのです。 静電反発と強い核力が連動して陽子の大きさを決定し、クォーク混合の特性は、我々の宇宙における自由粒子と複合粒子の組合せを説明するために必要なものである。 個々の陽子は、全体として、ボソンとしてではなく、フェルミオンとして振る舞う。 APS/Alan Stonebraker
ここで、第5、第6の物質の状態につながる重要なポイントがあります。宇宙のすべての粒子は、それが基本粒子であるか複合粒子であるかにかかわらず、2つのカテゴリーのいずれかに該当します。
- フェルミオン。 これは、そのスピン（または固有角運動量）を測定すると、常にプランク定数の半整数値（±1/2、±3/2、±5/2など）で量子化された値が得られる粒子である。 これは、スピンを測定すると、常にプランク定数の整数値で量子化された値、すなわち0、±1、±2、などが得られる粒子である。 既知の宇宙のすべてにおいて、他のカテゴリーに分類される粒子は、基本粒子であれ複合粒子であれ、存在しないのです。 我々がこれまでに測定したすべてのものは、フェルミオンかボゾンのどちらかの振る舞いをする。
モデルはあらゆる種類の保存則に従うが、フェルミオン粒子と反粒子、ボゾンの間には基本的な違いがある。 E. Siegel / Beyond The Galaxy
電子は、±1/2のスピンを持つ基本粒子であり、明らかにフェルミオンである。 陽子と中性子もそれぞれ3つのクォークから構成されているが、1つのクォークのスピンは常に他の2つのクォークのスピンに対抗するため、スピンは±1/2にしかならない。 しかし、陽子と中性子を結合させると、重陽子という複合粒子ができます。重陽子は、別のフェルミオンと結合していますが、常にボゾンとしてふるまいます。 (なぜかというと、±1/2+±1/2は、ボゾンのスピン値である-1、0、または+1にしかならないからです)。 基本粒子であろうと複合粒子であろうと、フェルミオンとボゾンは互いに重要な違いを見せてくれる。 有機分子や生物学的プロセスを含む、
は、電子を支配するパウリ排他律によって、2つの電子が同じ量子状態を占有することが禁止されているからこそ、可能となったのです。 ジェニー・モッター
パウリ排他原理は、量子力学の初期に発見された重要な礎石の一つです。 これは、2 つのフェルミオンが互いにまったく同じ量子状態を占めることはできないというものです。
このことは、完全に電離した原子核に電子を置き始めたときに明らかになります。 最初の電子は、可能な限りエネルギーの低い状態、つまり基底状態まで沈み込む。 2 番目の電子を追加すると、その電子も基底状態になろうとしますが、そこはすでに占有されていることに気づきます。 その配置のエネルギーを最小にするために、電子は同じ状態に落ちますが、スピンを反転させる必要があります。 最初の電子が-1/2だった場合は+1/2、最初の電子が+1/2だった場合は-1/2です。 9270>
は、水素原子内の異なる状態に対応しています。 電子はスピン=1/2なので、2個（+1/2と-1/2の状態）しか同時に存在できない。 PoorLeno / Wikimedia Commons しかし、これはボゾンには当てはまらない。 基底状態の配置にボソンを好きなだけ、何の制限もなく配置することができるのです。 ボゾンの系を冷却し、同じ物理的場所に閉じ込めるなど、適切な物理的条件を作れば、その最低エネルギー状態に収めるボゾンの数に制限はない。 9270>
2個の陽子、2個の中性子、4個の電子からなる原子、ヘリウムは、偶数のフェルミオンからなる安定した原子であり、したがってボゾンとして振る舞います。 この原子は、低温になると超流動体となり、粘性がゼロになり、それ自身や相互作用する容器との間に摩擦が生じない。 このような性質は、ボーズ-アインシュタイン凝縮の結果である。 ヘリウムは、この5番目の物質状態を達成した最初のボーズであったが、その後、気体、分子、準粒子、光子までもがこの状態を再現している。 9270>
BEC状態への遷移が完了する前（左）、途中（中）、後（右）。 このグラフィックは、原子が密度の低い赤、黄、緑の領域から非常に密度の高い青から白の領域へと凝縮していく様子を、時間的に連続した3次元のスナップショットで示したものである。 NIST/JILA/CU-Boulder
一方、フェルミオンがすべて同じ量子状態にあることはありえない。 白色矮星や中性子星が崩壊しないのは、パウリ排他原理のためです。（白色矮星では）隣接する原子の電子、（中性子星では）互いに接する中性子は、パウリ排他原理による量子圧のために、自身の重力で完全に崩壊することができないのです。 2つのフェルミオンが同じ量子状態を占めることはできません。
では、どのようにして、物質の第6の状態であるフェルミオン凝縮を実現できるのでしょうか。 信じられないかもしれませんが、フェルミオン凝縮の話は、ノーベル賞受賞物理学者であるレオン・クーパーによる驚くべき発見で、1950 年代までさかのぼります。 この用語は、彼にちなんで命名されました。 9270>
帯電した電子は、導体中の正電荷の配置をわずかに変え、電子にわずかに引き合う相対力を発生させる。 これが、電子が対になってクーパー対を形成する効果につながり、これまでに発見された最初のフェルミオン凝縮の形態となったのです。 Tem5psu / Wikimedia Commons
低温では、すべての粒子が最もエネルギーの低い基底状態の配置に向かう傾向がある。 導電性の金属を取って十分に温度を下げると、反対のスピンを持つ2つの電子が対になります。この小さな引力によって、すべての電子が個別に動くよりも、エネルギーが低く、より安定した配置として電子が対になります。
フェルミオン凝縮はボーズ-アインシュタイン凝縮よりも低い温度を必要としますが、超流動体のように振る舞うこともできます。 1971年、ヘリウム3（標準ヘリウムより中性子が1個少ない）が2.5ミリケルビン以下の温度で超流動体になることが示され、フェルミオンだけを含む超流体の最初の実証となった。 2003 年、物理学者 Deborah Jin の研究室は、強い磁場と超低温を利用して、原子をこの求められる状態に追い込み、原子ベースのフェルミオン凝縮を初めて作りました。 ©Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences
固体、液体、気体という標準的な物質の3つの状態に加えて、電離プラズマという高エネルギー状態があり、原子や分子の電子が少なすぎて電気的に中性である場所に発生します。 しかし、超低温では、ボソンとフェルミオンの2種類の基本粒子がそれぞれ特有の方法で凝縮し、ボーズ-アインシュタイン凝縮とフェルミオン凝縮（それぞれ物質の第5状態と第6状態）を作ることができます。 しかし、広大な宇宙の深淵では、ニュートリノ（フェルミオンでできている）や暗黒物質（フェルミオンでもボゾンでもよい）がかたまり、独自の凝縮体を形成することは十分に可能なのです。 このように、「宇宙最大の謎」の1つを解く鍵は、既知のあらゆる物質の状態のうち、最も希少で極端なものにあるのかもしれません。
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