霧箱

霧箱：粒子の軌跡を可視化する装置

霧箱は、荷電粒子の飛跡を目に見える形で観察できる装置です。1897年、チャールズ・ウィルソンによって発明され、その後、素粒子物理学の発展に大きく貢献しました。本記事では、霧箱の原理、種類、歴史、そして現在における状況について詳しく解説します。

霧箱の原理

霧箱の動作原理は、気体の過飽和状態を利用することです。通常、気体は一定の温度において、最大限に含むことができる水蒸気の量（飽和蒸気量）が決まっています。この飽和蒸気量を超えて水蒸気を含んだ状態を過飽和状態と呼びます。

過飽和状態では、水蒸気が水滴に凝結しようとしますが、凝結核となる微粒子がないと、凝結は起こりにくい状態です。この過飽和状態の気体中に荷電粒子や放射線が通過すると、気体分子がイオン化されます。このイオンが凝結核となり、水蒸気が凝結して小さな水滴が形成され、荷電粒子が通過した軌跡が霧として可視化されます。

霧箱の種類

過飽和状態を作り出す方法によって、霧箱には大きく分けて膨張霧箱と拡散霧箱の2種類があります。

膨張霧箱（ウィルソン霧箱）

膨張霧箱は、ピストンを用いて箱内の空気を急激に膨張させることで、断熱膨張による冷却を利用して過飽和状態を作り出します。ウィルソンによって発明されたことから、ウィルソン霧箱と呼ばれることもあります。膨張によって一時的に過飽和状態が作り出されるため、観測可能な時間は短く、連続観測には適していません。そのため、GM計数管を用いて放射線を検知し、自動的に膨張させる仕組みが導入された霧箱も多く存在します。

拡散霧箱

拡散霧箱は、箱の上部と下部に温度差をつけることで、温度勾配を利用して過飽和状態を作り出します。上部を温め、下部をドライアイスや液体窒素で冷却することで、上方から下方に向けて蒸気が移動し、冷却される過程で過飽和状態が生じます。膨張霧箱と異なり、常に過飽和状態が維持されるため、連続観測が可能です。しかし、過飽和状態となる領域は限定的であるため、観測できる範囲は限られています。

霧箱による観測

霧箱で観測される飛跡は、荷電粒子の種類によって異なります。アルファ線は太く短い直線状の飛跡、ベータ線は細く曲がりくねった飛跡、ガンマ線は直接観測できませんが、ガンマ線が物質と相互作用して生じる二次粒子（電子対など）の飛跡を観測できます。また、ミューオンは細く長い直線状の飛跡を作ります。

磁場をかけた状態では、荷電粒子はローレンツ力を受けて軌跡が曲がるため、粒子の運動量や電荷の正負を推定することができます。鉛板を挿入することで、粒子の進行方向を特定することも可能です。

霧箱の歴史

ウィルソンによる発明と初期の研究

霧箱は、当初は雲の発生メカニズムの研究を目的として発明されました。ウィルソンは、塵などの微粒子が存在しない清浄な空気中でも、過飽和状態になると凝結が起こることを発見しました。その後、X線を照射すると凝結が促進されることを発見し、X線が空気をイオン化することで凝結核が生成されていることを示唆しました。J.J.トムソンは、電場を用いた実験によって、凝結核がイオンであることを証明しました。ウィルソンは、霧箱を用いてアルファ線、ベータ線、ガンマ線の飛跡を観測し、1927年にノーベル物理学賞を受賞しました。

ブラケットによる改良と宇宙線観測

1920年代には、自動的に圧縮・膨張を繰り返す霧箱が開発されました。パトリック・ブラケットは、この改良された霧箱を用いて、人工的に核反応を起こし、その様子を撮影することに成功しました。また、スコベルツィンは、霧箱を用いて宇宙線の観測を行い、宇宙線の高エネルギー性を明らかにしました。

新粒子の発見と拡散霧箱の発明

1930年代には、カール・デイヴィッド・アンダーソンが霧箱を用いて陽電子を発見しました。また、ミュー粒子も発見され、霧箱は新粒子の発見に大きく貢献しました。この時代には、拡散霧箱も発明され、連続観測が可能となりました。

泡箱の発明と霧箱の衰退

1950年代以降は、より高性能な泡箱や原子核乾板が登場し、霧箱は徐々にその重要性を失っていきました。現在では、教育用や展示用として利用されています。

霧箱を展示する施設

現在、多くの科学館で霧箱が展示されています。いくつか例を挙げると、国立科学博物館、大阪市立科学館、名古屋市科学館などがあります。

まとめ

霧箱は、荷電粒子の飛跡を可視化するシンプルな装置でありながら、素粒子物理学の発展に大きく貢献しました。その歴史は、科学技術の進歩と密接に関係しており、科学史における重要な装置と言えるでしょう。

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