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粒子加速器とはどういったもので、 どのように機能するのか

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本記事は、What Is A Particle Accelerator? How Does It Work?
翻訳・再構成したものです。
配信元または著者の許可を得て配信しています。

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読了時間 : 約5分9秒

・粒子加速器は、電磁場を使用して素粒子を高速で推進する装置です。

・多くの研究目的で使用される荷電粒子の光線を生成します。

 

粒子加速器の歴史は、科学者が200,000ボルトの変圧器を開発し、直線経路に沿って陽子を加速した1930年にさかのぼります。機械はその目的を達成しませんでしたが、今日まで続く高エネルギー粒子加速器の追求を始めました。

 

粒子加速器は、電場と磁場を使用して、素粒子を高速で推進する大きな装置です。より技術的傾向のある考え方による、光の速度に近い荷電粒子を加速し電磁場を使用して、光線にそれらを封じ込める機械です。

 

20世紀には、粒子加速器は原子粉砕機と呼ばれていました。現在の加速器は、原子核ではなく2つの亜原子粒子間で衝突を起こしていますが、その名前は変わりません。

 

このような粒子の衝突は、科学者が宇宙のしくみを理解するのに役立ちます。高エネルギー粒子加速器は、電子工学や医学から国際安全保障に至るまで、さまざまな分野の基礎研究および応用研究に非常に役立ちます。

 

素粒子物理学への関心を刺激する最新の粒子加速器に関する、最も興味深い事実と統計のいくつかを取り上げました。 基本的なものから始めましょう。

 

粒子加速器の種類

加速器には2つの基本的なタイプがあります:

 

1)静電加速器:静電場を利用して、荷電粒子の速度を上げます。 正の粒子は、負に帯電した電極に引き付けられ、負の粒子は、正に帯電した電極に引き付けられます。

 

それらは簡素で安価であり、エネルギー出力が限られているため、粒子を非常に高速に加速することはできません。粒子の最大運動エネルギーは加速電圧に依存し、これは電気的破壊と呼ばれる現象によって制限されます。

 

ヴァンデグラフ起電機と高電圧発生装置は、静電加速器の最も一般的な例です。 古いコンピュータ画面のブラウン管は、この種の加速器の小規模な例です。

 

2)電気力加速器:粒子を加速するために、変化する電磁場(振動する無線周波電磁場もしくは磁気誘導のいずれか)を利用します。

 

これらのデバイスでは、粒子が同じ電磁場を複数回通過するため、静電加速器よりもはるかに高速な速度を達成できます。粒子の最大運動エネルギーは、加速場の強度によって制限されません。

 

これらの加速器は、さらに2つのクラスに分類できます。

 

1.線形。粒子が直線で加速する

2.円形。粒子が磁場を利用して、ほぼ円形の軌道で曲げられます。 粒子は十分なエネルギーに達するまで、この軌道を移動します。

 

線形加速器の操作| Wikimedia

どのように機能しているのか

基本的なレベルでは、粒子加速器は荷電粒子の光線を生成し、これは多くの研究目的で使用されています。 通常、光線は荷電した素粒子(陽子や電子など)で構成されますが、場合によっては、より重い元素(ウランや金など)の原子全体が使用されます。

 

たとえば、円形加速器では、粒子は円管内で連続的に加速されます。電界強度は通過するたびに増加し、粒子光線のエネルギーレベルが上がります。粒子が必要な速度に達すると、対象(薄い金属板など)が軌道に配置され、そこで粒子検出器が衝突を分析します。

 

全体として、粒子加速器には6つの主要部分があります。

 

A)粒子源:加速される粒子(電子や陽子など)を提供します。 たとえば、水素ガスの1つのボトルが粒子源になる可能性があります。 水素の1つの原子には、1つの電子と1つの陽子が含まれています。

 

B)金属パイプ:粒子の光線が移動する真空が含まれています。 真空は、帯電した粒子が妨げられることなく、移動するためのほこりのない環境を維持します。

 

C)電磁石:金属パイプを通過する粒子の動きを制御します。

 

D)電界:正から負に定期的に切り替えられます。 これにより、荷電粒子を加速する電波が発生します。

 

E)対象:粒子が目的の速度に達すると、固定した対象と衝突します。 時々、粒子の2つの光線が衝突します。

 

F)検出器:粒子の衝突を記録し、工程で生成された放射線または素粒子を明らかにします。

 

世界最大の粒子加速器

30,000を超える粒子加速器が現在世界中で稼働しています。 これらのうち、44%は放射線療法に、41%はイオン注入に、9%は工業用処理に、4%は低エネルギーおよび生物医学研究に使用されます。 10億電子ボルトまたは1 GeVを超えるエネルギーを生成できるのは、既存の加速器の1%だけです。

 

現在、大型ハドロン衝突型加速器は世界で最も強力な粒子加速器です。 2つの陽子線を6.5テラ電子ボルトのエネルギーに加速できます。 これらの2つの強力な光線が衝突すると、13テラ電子ボルト(TeV)の重心エネルギーが生成されます。

大型ハドロンコライダー| CERN

機械は175メートルの深さのトンネル内にあります。 周囲27キロメートルで、磁石の輪は8.36テスラの磁場を生成できます。

 

構造には、1,000個を超える双極子磁石が端から端まで含まれており、粒子がほぼ光速でレースを続けます:1つの粒子は、27 kmのリングを1秒間に11,000回移動します。

 

これは、100か国以上の1万人を超える研究者、数百の研究所および大学と共同で、欧州原子力研究機構によって開発されました。

 

ヒッグス粒子は「神の粒子」と呼ばれることもあり、2012年に大型ハドロン衝突型加速器で発見されました。同じ年、物理学者たちはクォークグルオンプラズマを形成し、人工機械によって記録された最高温度である摂氏5.5兆度に達した可能性があります。

ヒッグス粒子は、大型ハドロン衝突型加速器での実験中に初めて観察されました。| 画像クレジット:Designua / Shutterstock

今後数年間で、この巨大な機械により、物理学者は、ヒッグス粒子の特性の分析、超対称理論によって示唆される新しい素粒子の検索など素粒子物理学のさまざまな理論は、宇宙の謎などと同様に、テストできるようになるでしょう。

 

応用

産業からエネルギー供給、健康からセキュリティに至るまで、粒子加速関連テクノロジーが人々の生活にプラスの影響を与えるという、純粋な研究を超えたいくつかの分野があります。

 

医療用:毎年、世界中の診療所や病院で何百万人もの患者が加速器に基づいた診断と治療を受けています。加速された粒子(陽子、電子、またはより重い荷電粒子など)は、がん細胞を殺し、体内から詳細な画像を生成するために使用されます。

 

消費財:粒子加速器は現在、シュリンクラップ用のプラスチックの架橋結合からコンピューターチップの製造に至るまで、さまざまな産業工程で使用されています。

 

特に、イオンビーム加速器は、電子チップを製造し、人工関節で使用されるような材料表面を硬化させるために使用されます。一方、電子線加速器は、表面処理のためのプラスチック改良など、材料特性を変更するために一般的に使用されます。

 

国家安全保障:加速器は、備蓄管理、貨物検査、および材料解析において重要な役割を果たします。 主にコンテナや品物のスキャンに使用され、武器やその他の危険物を特定するのに役立ちます。

 

他になにができるでしょう?

高エネルギー粒子衝突の分析は、科学の基礎研究および応用研究に有用である可能性があります。時空の深い構造、一般相対性理論と量子力学の関係など、物理学者が物理学の基本的な問題を解決するのに役立ちます。

2つの陽子の衝突により、粒子破片のシャワーが発生します。| CERN

科学者が今後数十年で答えを出したいと考えている4つの主な質問を以下のとおりです:

・ひも理論モデルによって予測されるように、追加される側面はあるのか?

・暗黒物質の本質は何か?

・初期の宇宙はどのようなものだったのか?

・宇宙で物質と反物質の非対称性が見られるのはなぜですか。

 

実際、粒子加速器をもとにした技術は、タイムマシンに最も近いものであるとスティーブン・ホーキング氏は述べています。彼は2010年に論文を書き、時間を移動することがどのように可能であるかを説明しました。

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