粒子の磁気スピン

・スピンは粒子の磁石的性質を示す値である。
　この性質は磁気モーメントとも言う。

・直線運動する粒子を磁界の中を通すといくつかの方向に曲がる。
　粒子が磁石的な性質（Ｎ極とＳ極）を持つと考えられる。
・また、光線を磁界に通すと複数のスペクトルに分かれる。
　これも、同じような性質から来る。

・スピンという名になったのは、粒子が自転していること
　によって、磁気が生まれていると考えられたからである。
・しかし、自転速度を計算すると、光速を超えてしまうため、
　実際は粒子の自転ではないとされている。
　粒子が磁石的性質を持つ仕組みはよくわかっていない。

・スピンの値の単位は「ħ (=h/2π)」である。
　ｈはプランク定数

・粒子の種類別のスピンの値
　　・光子、ウィークボソン、グルーオンは１
　　　　スピン１の粒子が力を媒介するとき、
　　　　同じ荷を持つもの同士は反発しあい、
　　　　反対荷を持つもの同士は引き付けあう。
　　・重力子は２
　　　　スピン２の粒子が力を媒介するとき、
　　　　同じ荷を持つもの同士は引き付けあい、
　　　　反対荷を持つもの同士は反発しあう。
　　・ヒッグス粒子は０
　　・レプトン、クォークは１／２
　　・中間子は０か１
　　・バリオンは１／２か３／２

・各スピンの値ごとの取りうる状態
　　スピン　　状態の数　　状態の種類
　　０　　　　　　１　　　0
　　１／２　　　　２　　　-1/2, +1/2
　　１　　　　　　３　　　-1, 0, +1
　　３／２　　　　４　　　-3/2, -1/2, +1/2, +3/2
　　２　　　　　　５　　　-2, -1, 0, +1, +2
　　＊ただし、光子などの非物質の粒子は、
　　　０の状態を持たない。

・回転の対称性の表現
　　スピン　　表現
　　１／２　　２回転して元の状態の戻る。
　　　　　　　（波動関数が2周してようやくつながる）
　　　　　　　１回転では、反対の性質になる。
　　１　　　　１回転して元の状態の戻る。
　　２　　　　半回転して元の状態の戻る。

・スピンの状態の表現
　　・スピンの値が１／２のとき、取りうる状態が２つある。
　　　それぞれの状態を「右巻き」「左巻き」と表現したり、
　　　「上向き」「下向き」と表現したりする。
　　・磁石のＮ極に引かれる場合、「上向き」「右巻き」「+1/2」
　　　と表現される。
　　・Ｓ極に引かれる場合、「下向き」「左巻き」「-1/2」
　　　と表現される。
　　・「巻き」と「向き」の関係は右ねじの関係である。
　　　右ねじを右まわり（時計まわり）にまわすと、
　　　先に進む。それがスピンの向きである。
　　　だから、上向きとは、進行方向の向きになる。
　　・向き方向がＳ極に相当する。





・１／２の値のスピンの粒子同士は、同じ向きだと反発する。
　つまり、両方ともＮ極が上向きの磁石を近づけると
　反発するのと同じ。
　上向きと下向きの対は一緒に居られる。
　Ｎが上の磁石とＳが上の磁石が引き付くのと同じ。
　つまり最大、２つまでは一緒に居られる。
・一方、１の値のスピンの粒子同士は、いくらでも一緒に居られる。



・ニュートリノは左巻きのみ存在する。
　反ニュートリノは右巻きのみ存在する。
・観測が難しいニュートリノは、そのスピンはどうやって計るのか。
　　・ベータ崩壊のときに出る、電子は、進行方向に向って、
　　　後から見ると、左巻き（反時計まわり）、
　　　つまり進行方向とは逆のスピンの向きのものだけが
　　　観測される。
　　・反対の方向に放出される反ニュートリノは右巻き
　　　つまり進行方向と同じ向きのみと推測される。
　　・両者とも崩壊前の粒子のスピンの向きと量を保存している。
　　　つまり、崩壊前の粒子のスピンの向きと逆方向に
　　　電子は放出され、正方向に反ニュートリノが放出される。



・電子と陽電子の対のスピン
　　・電子の陽電子のスピンが平行か反平行かによって、スピン１と
　　　スピン０の状態ができる。
　　・スピン１の状態をオルソ・ポジトロニウム、
　　　スピン０の状態をパラ・ポジトロニウムと呼ぶ。
　　・オルソ・ポジトロニウムは約100ナノ秒の寿命で、
　　　奇数個の光子に崩壊する。
　　・パラ・ポジトロニウムは約0.1ナノ秒の寿命で、
　　　偶数個の光子に崩壊する。

・スピンの量子的性質
　　・スピンをもつ荷電粒子は、その磁極の向きがあらゆる方向を向いている
　　　はずだが、磁界の中を通ると、２つの一定方向にしか行かない。
　　　この２方向の間の方向には行かない。
　　・たとえば、上にＮ極、下にＳ極がある磁界を電子が通る場合。
　　　上がＮ極の電子が通ると、100%の粒子が下に曲がる。
　　　上がＳ極の電子が通ると、100%の粒子が上に曲がる。
　　　ここまでは、普通にイメージできる。
　　・磁力線と垂直方向にＮ極がある電子が通ると、
　　　曲がらずにまっすぐ通るのではなく、
　　　50%の確率で、下に曲がる粒子と、下に曲がる粒子がでる。
　　　２方向しかなく、間の方向を通らないということが量子的性質である。
　　・一度、磁界を通って曲がったものはスピンの向きが確定する。
　　・Ｘ方向に磁界をかけ、上と下に分かれたもののうち、
　　　上になったものに、もう一度、Ｘ方向に磁界をかけると、
　　　100%が上に行く。
　　・上に行ったものにＹ方向に磁界をかけると、
　　　50%の確率で、右に曲がる粒子と、左に曲がる粒子に分かれる。
　　・さらに、右に曲がったものを、もう一度、Ｘ方向に磁界をかけると、
　　　50%の確率で、上に曲がる粒子と、下に曲がる粒子に分かれる。
　　　これは、先ほど、Ｘ方向に磁界をかけたときに、上に曲がったもの
　　　だったが、Ｙ方向に磁界をかけたことによって、そのときに得た
　　　方向は失われたということである。

　　

・光子のスピン
　　・光子は電荷がないので、磁界を通して分けることで確認することはできない。
　　・光子のスピンは円偏向であらわる。
　　　（電磁波の振動の向きが、回転するように変わること）