サイクロトロンと素粒子物理学

いきわな、ウィキメディア・コモンズ

の歴史 素粒子物理学 は、ますます小さな物質を見つけようとする物語です。科学者が原子の構成を深く掘り下げたとき、原子を分割して構成要素を確認する方法を見つける必要がありました。これらは「素粒子」と呼ばれます。それらを分離するには、多大なエネルギーが必要でした。また、科学者がこの作業を行うための新しい技術を考え出す必要があることも意味していました。

そのために、彼らはサイクロトロンを考案しました。サイクロトロンは、一定の磁場を使用して荷電粒子を保持するタイプの粒子加速器で、円形のらせんパターンでますます速く移動します。最終的に、それらはターゲットに衝突し、物理学者が研究するための二次粒子が生じます。サイクロトロンは、高エネルギー物理学の実験で数十年にわたって使用されており、がんやその他の状態の治療にも役立ちます。

サイクロトロンの歴史

最初のサイクロトロンは、1932 年にカリフォルニア大学バークレー校で、アーネスト ローレンスが学生の M. スタンリー リビングストンと共同で建設しました。彼らは大きな電磁石を円形に配置し、サイクロトロンを通して粒子を発射して粒子を加速する方法を考案しました。この業績により、ローレンスは 1939 年にノーベル物理学賞を受賞しました。それ以前は、使用されていた主な粒子加速器は線形粒子加速器でした。 イーナック 略して。最初のライナックは、1928 年にドイツのアーヘン大学で建設されました。ライナックは、特に医療分野で、より大きく複雑な加速器の一部として、今日でも使用されています。

ローレンスがサイクロトロンに取り組んで以来、これらのテスト ユニットは世界中で製造されてきました。カリフォルニア大学バークレー校は、その放射線研究所のためにそれらのいくつかを建設し、最初のヨーロッパの施設は、ロシアのレニングラードにあるラジウム研究所で作成されました.もう 1 つは、ハイデルベルクで第二次世界大戦の初期に建設されました。

サイクロトロンはライナックよりも大幅に改善されました。荷電粒子を直線的に加速するために一連の磁石と磁場を必要とするライナック設計とは対照的に、円形設計の利点は、荷電粒子の流れが磁石によって生成された同じ磁場を通過し続けることでした。何度も何度も、そうするたびに少しエネルギーを獲得します。粒子がエネルギーを獲得するにつれて、サイクロトロンの内部の周りにますます大きなループを作り、各ループでより多くのエネルギーを獲得し続けます。最終的に、ループは非常に大きくなり、高エネルギー電子のビームが窓を通過し、その時点で、研究のためにボンバードメントチャンバーに入ります。本質的に、それらはプレートに衝突し、チャンバーの周りに粒子が散乱しました。

サイクロトロンは周期的な粒子加速器の最初のものであり、さらなる研究のために粒子を加速するはるかに効率的な方法を提供しました。

現代のサイクロトロン

今日でも、サイクロトロンは医学研究の特定の分野で使用されており、そのサイズはほぼ卓上型から建物サイズ以上のものまでさまざまです。別のタイプは、 シンクロトロン 1950 年代に設計された加速器で、より強力です。最大のサイクロトロンは、 トライアンフ 500 MeV サイクロトロン は、カナダのブリティッシュ コロンビア州バンクーバーにあるブリティッシュ コロンビア大学と、日本の理化学研究所の超伝導リング サイクロトロンで現在も稼働しています。幅19メートルです。科学者はそれらを使用して、凝縮物質 (粒子が互いにくっつく場所) と呼ばれる粒子の特性を研究します。

大型ハドロン衝突型加速器に設置されているものなど、より近代的な粒子加速器の設計は、このエネルギーレベルをはるかに超える可能性があります。これらのいわゆる「アトム スマッシャー」は、物理学者がより小さな物質の破片を探し出す際に、粒子を光速に非常に近い速度まで加速するように構築されています。ヒッグス粒子の探索は、スイスでの LHC の作業の一部です。他の加速器は、ニューヨークのブルックヘブン国立研究所、イリノイ州のフェルミ研究所、日本の KEKB などにあります。これらはサイクロトロンの非常に高価で複雑なバージョンであり、すべて宇宙の物質を構成する粒子を理解することに専念しています。