量子ビームってなんだろう？ 川畑 貴裕
皆さんこんにちはえっと私あの大阪大学の 川端と申しますえっと今日はですねあの 漁師ビームって何だろうということで物理 学会の公開講座の講師に指名していただき ましたあの私のようなねぼよな研究者です とねなかなか1万5000人の物理学会の 会員を代表してお話しさせていただく機会 なんかないので今日はちょっともっと ちゃんとした格好で来ようかなと思ったん ですがえっと私ですねあのえっと原子核 物理をやっておりますのでこのなん今日 1番状態のTシャツを着てきたんですが これあの大阪大学が作りました湯川秀樹の TシャツでございますオリジナルTシャツ え原子やっておりますのでやっぱ原子格と 言えば湯川秀かなとで皆さん湯川秀樹と いえばノーベル賞をもらっていて兄弟の 先生だという印象が強いんじゃないかと 思うんですがえノーベル賞は大阪大学に 湯川秀樹がいた時の業績でございます大阪 大学それちょっと今1つ世の中の雰囲気に 対して納得しておりませんので今日はです ねえっと川端が講演した原子閣の話は実は 湯川秀樹と繋ちょっと繋がっていてえ坂 大学の業績であるということを分かって いただけたらなと思いますま雑談はその 程度にしましてえそれではですね早速今日 いただきました量子ビームって何だろうと いう話させていただきたいと思いますえ 量子ビームとはっていうことですがえ実際 何なんでしょうねえっとどう言葉にして 説明すればいいのか実は僕も公演を頼まれ て非常に困っていますただえ僕ももこの 業界で30年飯を食っておりますので漁師 という言葉はもうもちろん日常的に使って いますそれをじゃあ一般の方にどうえっと 理解してどういう風に説明すればいいの かって困ったんですがじゃ1番簡単に説明 できる量子という言葉含む言葉は何かなと 思うとま僕に思いついたのは量子力学と いう言葉なんですね量子力学というのは 何かと言いますとまあの1つの学問分野な んですけどもえ分子であるとか原子である とか原子核素粒水的物理系非常に小さい 小さい系を支配する物理法則を中心とした 理論体系まそういう学問なんですねこれ 公事園から取ってきますましたということ は量子ビームちゅうのはあミクロの世界に 現れる何かなんですね量子というのは ミクロの世界に現れる何かなんだよし じゃあ漁師というもう辞書で公事園で量子 が引いちゃいましたからじゃ漁師自身も 引いちゃおう辞書を引いてみたんですけど それによると何て書いてあるかというとえ 連続的でなくある単位量の整数倍に限ら
れる値とびとびの値で表される物理量の 最小単位残っちゃって感じですねちょっと まかって分かりにくくなってしまいました でもビームというからには多分え量子の ビームっていうのがま量子ビームなん でしょうねビームっていう言葉は何かと いうとこれはこれもまた辞書で引いてみ ますとこっちはもうちょっと簡単に書いて ありました粒子または電磁波の細い流れ 細いものが流れてくだから量子というもの があってそれがなんか細く流れているのが きっと量子ビームなのかなじゃその量子 ビームって具体的にどんなもんですかって いうんで僕が1番最初に思いついたのはま これなんですねレーザーなんですねねこれ 私どものグループでですねま3年ぐらい前 ですかねえ兵庫県のスプリングエという 敷地の中にニュースバルという施設があり ましてそちらで実験した時の写真持ってき たんですけどこれレーザー使ってますこの ビビビビビと緑色のビっとこうそばで見る とちょっとビビるぐらい明るいんですけど ビビるぐらい明るいえこの短い細呼びこれ まさにレーザービームなんですけどこれ 間違いなく量子ビームですじゃあえっと レーザーという引と何て説明してある かっていうとま思考性が高く同じ方向に 向いて走っててしかも単一の波長同じ色で しかも意同じように光っている光の束の ことをレーザーって言うんですねでこれを 量子ビームと言うんだったら当然光は量子 と呼ばれるものじゃないといけないんです がじゃここで光ってじゃ実体一体何なん だろうということをちょっと考えてみたい んですけどもえ光とはもちろん理科の教科 書には載っている非常にあのありふれた 物理現象でしてえ高等学校ではこれを電磁 波の一種という風に習います電磁波って何 やねんっていうことなんですが電磁波とは え電場E電場っていうのは電流を流す力と 思っていただいたらいいんですけど電流を 流そうとする力Eと磁場磁石の力ですね 磁場の力Bが振動として波として光の速さ で伝わっていく現象というのを電磁波と 言うらしいですその模し図が絵がこれなん ですけども要は縦方向に電場が強くなった と思ったら横方向の磁場が強くなりそれが 収まってきて判断反対方向に振動したと 思ったら磁場も反対方向に振動するこう いう場合に電場が電流を流そうとする電場 の力が強くなったり磁場の強さが強くなっ たりっていののを繰り返しながら空間を 伝わっていくってことができるんですね これえ小学校の頃に習った電磁石のあれで 説明できる現象です例えばえ電場をドーン
とどうにかして強くしてありますえ電池を 近えっと電荷を持ったものをガーっと振る だけで多分電場の強いところ弱いところ できるんですけどどこかで電場がドーンと 強くなるとどうどうなるかというとこれ 電流を流そうとする力です電流がドンと 流れるとどうなりますかねえコイルに電流 を流すと磁石になるっていうの皆さん習っ たはずなんですけども電流を流そうとする 力があるところには必ず磁場が発生します 今度は磁場がドーンとてきたらどうなる かっていうと皆さんコイルに磁石を 近づけるという実況を昔やったことあると 思うんですけども磁石の力がドーンと 近づくとコイルに電流が流れるそこは コイルに電場が生じてるんですねつまり 電場をドーンとかけると磁場がドーンと なり磁場がドーンとかけると電波がドーン とかかるっていうそういうのが物理の法則 でしてそういう風に強くなったり弱くなっ たりっていうのを繰り返しながら空間を 伝わっていくこれがま電磁波なんですねで 実際これを物理の言葉で書くとマクセル 方程式というまこれはこれは難しい方程式 がありましてそのマクセル方程式から波動 方程式というのを導くことができますこの 波動方程式というのを解くとこういう風に 制限波の電場電場が制限波で強くなったり 弱くなったり磁場が制限波で強くなったり 弱くなったりというえ電磁波の式を導く ことができるこれがま光の正体として高等 学校では習うんですねでえ電磁波には いろんな種類がありましてこの山から谷 から谷までの距離のことを波長と言います が波長の長さによってカコという名前が ついていたり賢よりも波長が長いと電波皆 さんの携帯電話とかテレビ放送に使う電波 という呼ばれるものになり波長が短くなる とそういうのをガンマ線とかX線とか言っ てえ医療応用されたりまそういう風なえ ものに使われるえっと電磁波となりますと いうわけで高等学校では電磁波という ぐらいですから光は波として習うわけなん ですねでこれは今日えっと会場においで皆 なった皆さんがえっと高等学校の時に物理 を習ってらっしゃったかどうかちょっと 分からないんですがえ高等学校のあの教科 書の中ではもうとにかく波として出てくる わけですねこれえっと2019年の センター試験の問題から取ってきたんです けどここから入ってきた光がえ中でえ屈節 反射そして跳ね返ってきてえっと干渉と いう性質を繰り返してこうすることによっ て強め合う弱め合うっていう問題がある わけですねこれセンター試験にも出されて
いるえなんでわざわざセンター試験の問題 を出してくるかというと眼鏡をかけていて Tシャツを着ていて刈り上げてい るっていうなんかちょっとあの僕なんと なくこのキャラクターにシンパシーがあっ てですねこうやってこうぜひ押していき たいわけなんですねでこの現象の結果これ と同じことが起こってるのがこのシャボン 玉なんですけどシャボン玉ってこう場所に よって色が変わって見えますよね 青いこれはまさにこの効果シャボン玉の膜 の中幕でえっとこの反応が起こっこの散乱 えっと反射であるとか屈折であるとか干渉 であるとかという現象が起こっていてその 結果まいろんな色にシャボン玉が見えます よって話なんですけどこれまさに光が波で あるあるおかげでこういうシャボンダの 見え方をするわけですねだから我日常生活 の中で光が波であるということはもう完全 に体感してるはずなんですねということは 光はもう波っていうことでいいんですよ ねってことになるんですが実はまそうじゃ ないんですねえ光量施設というのがあり ましてこれアインシュタインが提案提案し た説ですけれどもえ公電効果という効果 えっと現象がありその公電効果というのを 現象を説明するためにはどうしてもこの光 量施設光量施設という説を唱えなければ ならなかったんですねまずえ公電効果って のはどういう現象かって話なんですが公電 効果っていうのは例えば金属とかの物質に 金属の中にはえ原子角があって原子角の 周りを電子が回っていてその原子がドアー と並んでいるんですがその金属に向かって 光えX市街光の一種である紫外電磁波の 一種である紫外線とかX線を照射してやる と電子が飛び出してくるこれが光電効果と 言われる現象なんですがこの光電効果と いう現象を色々調べてみるとちょっと おかしなことが起こるんですねまず紫外線 を当ててありますえ電場と磁場が振動して いるので電と磁場の振動の振幅の2乗に 比例するようなエネルギーを持った電磁波 がここに入ってくることになるんですが そのエネルギーをもらって電子が飛び出し ていきますじゃあ次電磁波のエネルギーを もっと増やしてやろう増やして入社して やろう波ですからエネルギーを増やすため にはどうすればいいかというと振幅を 大きくしてやればいいんですね振幅を 大きくして打ち込んでやるときっと電子が さっきよりも高いエネルギーで出てくん じゃねえのかなっって予想されるわけです ね ところが実際やってみると出てくる電子の
エネルギーは変わらないんですさっき とその代わりえさっきは1個しか出てとか なかったとしたらそれより強い高い エネルギーのあ高い振幅の大きな光を入れ てやると2個とか3個とか出てくる電子の 数が増えるんですねX線の強度振幅を 大きくしても飛び出す電子のエネルギーが 変わらないんですねその代わり増えるのは 電子の数であるじゃ次電子のエネルギー 変えるためにはどうしたらいいだろうって いうことをえっと昔の人は考えたんです けどもそうするとですねそれを変えるため にはX線の振動数この波の振動数です波の 振動する回数を変えてやればエネルギで 飛び出す電子のエネルギーを変えられ るってことが分かったんですねでこの2つ の原2つの僕がえっと箱に書いてあるこの 現象ですけどこれ電磁波が波であると思う とどうしても説明できないんですねだって たくさん揺れてるんだからそれはたくさん 揺れるんだから高いで電子が飛び出して くるはずそう思うのが普通の考え方だった んですでこれを説明するために アインシュタインが唱えたのがえ光量施設 なんですけど光というのは実は粒子なんだ とどういうことかと言いますとさっき えっとさっきまではえっとまずある光を 当てたら1個飛び出してきましたそして次 にえ光を強くして振幅を強くして打ち込み ましたそうすると振幅が強い光というのは 別に1個1個のえっとエネルギーは全体と してのエネルギーは増えてるんですけど それはつぶつぶが実はつぶつぶの数が増え ただけである光というのは実は粒子として の性質を持っていて振幅を大きくすると いうことはそれは光の数を増やすという ことに相当するんですねなのでさっきえ 1番最初の実験では電子が1個しか出てこ なかったんだけども2番目の実験で電子が 3つ出てきたっていうのはどういうことか というと光が3つ入っていた入っていった からていうことになるんですねでえ光の 振動数を変えてやったら飛び出す電子の エネルギーが変わるという話をしました けどそれはやっぱり1粒入ってるのは 変わらなくてでも入ってくる1粒の エネルギーが変わっていたので飛び出して くる電子もエネルギーも変わっていたと いうどうもそういう落ちだったみたいなん ですねつまりこの実験結果っていうのは光 はまあ波の波としての性質を持ってること はま間違いないんだけどでもそれだけで なくて光は振動数ごと波振動する回数ごと に異なる決まったエネルギーエ入を持つ 粒子であることを示してるのではないかと
いうことつまり光というのは波という性質 だけでなくて実はつぶつぶなんですよ粒子 なんですよということをアインシュタイン が唱えたこれがアインシュタインの光量視 説なんですねでこれは見事にこの公電効果 を説明することができて皆さん アインシュタインてノーベル書を取ってる のはご存知だと思うんですけども アインシュタインといえばまえ相対性理論 がかなと思うんですが実は アインシュタインノーベル省は相対性理論 でもらってるわけではなくてこの光量子 仮説を唱えたことによ鉱石に対して ノーベル書を受賞しているんですねでじゃ 結局どういうことですかっていうことなん ですけれども光というのはまず電磁波で あるそして電磁波であるからま波としての 性質はま持ってるんですえ電場の強さとか 磁場の強さを時間と場所の関数で書くと こういう制限関数で書くことができます そして波全体が持ってるエネルギーはその 振幅Eの電場の振幅と磁場の振幅の2乗の 足段で書くことができますこれはまず 間違ってませんだけどこの光を量子という 観点で考えた場合にはどうなるかというと このエネルギーていうのは実はこうかける んですねH1粒あたりHUという エネルギーを持った粒がn個集まってこの エネルギーになっているということなん ですね光量視説によると電磁波が持つ エネルギーは光としてのまず講師の持って いるエネルギーとそのエネルギーが何個 いるかN下HUっていう数で決まるつまり とびとびの値を取るんですねこれに納得し ていただいたところで僕が1番最初1枚目 に見せたえっと量子という言葉の定義に 戻りたいんですけども大地人によると量子 は何と書いてあったかというと連続的では なくある単位量の整数倍に限られる値 とびとびの値で表される物理量の最小単位 を量子というのである波のエネルギーって いうのはこの式で書いちゃうと振幅は自由 時代にどんな値でも取れるのでとびとびの 値にはならないんですが量子力学という 学問を通して光を眺めると光のエネルギー はこうも書けるんですね1個あたりHNと いう値を持ったものが1個2個3個4個5 個と数えることができるつまりとびとびの 値を持っているそして光の1個というのは その最低最小単位になってますよねそう つまり僕は何が言いたいかというと光子と いう光というのはえ波と粒子の性質を 合わせ持つ電磁波のエネルギーの最小単位 なんですねすなわちこの大順位に書いて ある定義を定義に基づくとそう光の粒子
それを光子と言いますけど皇子はまさに 量子なんですねで1番最初に僕はえっと 量子ビームのえ例として1番最初に 思いつくのはうんそうですねレーザーです ねって言ったわけなんですけどもそうレー ザーっていうのは光子がズババババーン でいくシステムなんですけどまさにあれは 光子のビーム量子のビーム量子ビームなん ですねじゃあ光はまあじゃあ量子なんやと いうことが分かりましてじゃ他にはま どんな量子が世の中にあるんでしょうねえ 全ての物質というのはこれえっとヒッグス タンというですねあの素粒子物理の業界で は結構有名なサイトから取ってきた絵なん ですけどもえちょっとこ可愛らしい絵でね 世の中の物質を説明紹介した絵がこれなん ですが世の中にある全ての物質例えばここ では水を例にあげてますけど水というのは まずどんどん半分に半分にしてまた半分に してまた半分にしててどんどんどんどん どんどん細かく分けていくと最後はこの水 分子というのに行きつくわけなんですね水 分子は酸素分子とえ水素分水素酸酸素原子 と水素原子が結びついてできているそして 酸素原子原子の中には原子角があってその 周りを電子が回っている そして原子核の中には陽子と中性子という 粒子があって陽子と中性子はまた3つの クオからできクオと呼ばれる素粒水cos 構図を持ってるんですけども物質も結局 究極的に行くと1個1つ2つ3つと数え られる単位になっていくわけですね液体の 水を眺めてこれの最小単位はって考える ことはなかなかできないんですが物理の 考え方に従っていくとそう分子で1つ2つ と数えることができ原子で1つ2つと 数えることができ原子角で用紙でクオーク でと1つ2つと数えられるようになるわけ ですねそういうして分けていった最小単位 それを量子と呼ぶのであればおそらくこの 各種量子と中世子合わせて各種と言います けど各であるとか原子格であるとか原子で あるとか文子であるとかこういったものも やはり量子と呼ばなくちゃいけなくなるの かなと思いますで実際ですねこうここまで 粒子を細かく分けてってこういう小さい 量子に持っていくとこいつらは光と同様に え粒子としての性質だけでなくえ波として の性質も持つようになります高等学校の 教科書にドブロイ派っていうえ言葉が出て くると思いますけれどもドブロイ師による と世の中にあるあとあらゆるものは波とし ての性質も重ね持っているまそんなこと 出したら僕え体重80kmの僕もえ当然波 としての性質を持ってるはずなんですが僕
の場合体重が重すぎるので80kmもあり ますとですね波としての波長が短くなり すぎてもうもはやあの波としての性質を 発揮することができないんですねところが えっとこの え分子原子え原子がこの辺りの子たちは 非常に体重が軽い質量が軽いので波として の性質が発揮自分の波としての性質が発揮 されてえ波波粒子としての性質だけでなく 波としての性質も合わせ持つようになり ますで実は量子と呼ばれるものの特徴は1 つは粒子と波の性質を合わせ持つというの も漁師の特徴の1つになっていましてそう 考えると僕は最初かなっていうちょっとえ なんかあやふやな言い方をしたんですが やはりえこの容子であるとかえ原子核で あるとか原子であるとかというのも量子と いうことができると思いますそういう風に 世の中にはたくさんの量子があるという ことを分かったわけでそうするとじゃあ 量子ビームの種類もたくさんあるわけです ねまちょっと思いつくままに色々書き並べ てみたんですがまずえ量子ビームの代表 選手はこのレーザー口ですねえレーザー 発進機を用いて思考性がく方向が非常に 良く揃っていて同じ色を持って同じ光り方 をする光の束を作り出すこれがレーザー光 これまさに量子ビームですあとえ電荷を 持った粒子え電子であるとか用紙であると か14ま原子角のことですね原子核は プラスの電気持ってますから電子とか用紙 とか14原子角など電荷を持った粒子を 加速器と呼ばれる装置で運動エネルギーを 高めたものもえっと量子ビームに当たり ますえある同じ方向にドーンと加速運動 エネルギーを与えてやるんですねそうする と同じ方向に向かってドーンと細く走って いきますからこれもまさに量子ビームと 言いますあとまた光に戻るんですが レーザーとはちょっと違って放射口と呼ば れるえっと光もありますこれはどういう光 かと言うとえ電子を使って作る光ですえ ほぼ高速にまで加速した電子をで磁石を 使って進行方向をキュっと変えてやると その際に光を放出するっていう性質がある んですねキュッと曲げ方をうまくやって やるとある方向にだけ揃ったナイスな えっと光行子のビームを作ることができて まこの放射口も量子ビームの代表選手と 言えると思いますあと電荷を持っていない 粒子もあ量子もビームになります例えば 中性子というのは電荷を持っていない粒子 ですけどもこの中性子もビームにすること ができますいろんな作り方あるんですがえ 最近流行ってるのは最近流行ってるとか
最近ぐっと盛り上がってきてるのは加速器 で加速された用紙を使ってこれを ターゲット何かにぶつけて原子核反応を 引き起こしその原子反応から中性子を作っ て引き出すそしてその中性子をビームとし て使うという使い方ですねあともっと昔 から使われていたのはえっと原子力発電症 はま原子炉ですね原子力発電症に限りませ んが研究用の原子炉に行くとそこでは核 分裂が起こっていて中性子が大量に放出さ れてますから大量に放出されてる中から ある1方向に飛び出した修正子だけを選ん で取り出して実験に使うというなことは昔 からやられてましたこれもこれはま中性子 電荷を持ってない粒子が1方向に進んでる ので中世子ビームとよいこれも量子ビーム になりますでまこうして眺めてみるとま いろんな作り方があるんですがえしかしま 僕原子僕はあの原子格研究してますので僕 にとって量子ビームというのは実はま加速 器で作られるものだっていう印象がすごく ありますえまあの家電粒子便は加速器を 使わなければなりませんし放射口は電子を 加速するために加速器を使いいますし中性 子ビームを最近の流行りは加速機を使って 作り出すというのが流行りなんですねそれ でえっと今日の公演のもう少し残りの時間 はじゃどんな加速器が世の中にあるのか どんな加速器で量子ビム作ってるのかって いうのもちょっと紹介させていただきたい と思いますま世の中にはいろんな加速器が あるんですが我々人類が初めて作り出した 加速器というのは静電型加速器と呼ばれる タイプの加速器ですえコッククロフト オルトン型っていう加速機とタンデム バンデングラフ型っていう2つの加速器が 静電加速の代表選手でえっと人類が初めて 作ったとはいえ実はま構造が非常に簡単な ので今でも広く使われてる加速器なんです けどその中でもタンデムバでグラフ加速機 というのをちょっと紹介させていただき たいんですけどその動作原理どうなってる かというとままずマイナスのイオを用意 するんですね電子がつきすぎてるイオンを 用意しますそれを0vのところに置いとい てそのちょっと先っちょのところをプ 100Vに電圧を上げときますそうすると どうなるかって言うとこの人マイナスの 電気を持ってますので当然このプ+ 100Vのところにえっと引力を感じて 引かれていってピューっと飛んでいくん ですねここまで飛んでくると100電子V という単位のエネルギーになりますでこの 後どうするかなんですけどこれこのまま まっすぐ走ってったらここでもう1回0v
に戻っちゃうんですけどここに ストリッパーというものを用意して マイナスのイオンなのは電子がたくさん ついてるからなんですけどその電子を 剥ぎ取っちゃうんですね剥ぎ取っちゃうと プラスのよに生まれ変わりますプラスのよ になるとおおってなってあここ電圧高い やんってなってむしろプラスの4は電圧 低いところに行きたがるのでもう1回加速 されて1番最後まで出てきた時は倍の 200電子ボになってるっていうこういう 加速器の仕方をするのをタンデム バンデグラフ型加速器と言います100V という電圧を使って2回加速してるので それでタンデムと言い方をしますタンデ ムってのは2等建ての馬車とかえバイクの 2人乗りのねサイドバイクの2人乗りとか そういった意味合いのある言葉ですけども そう100Vという1つの電圧で持って2 回加速するという仕組みなんですねあと このバンデグラフっちゅうのは何かと言う とえっとこの100Vという高い電圧を 作り出すのにバンデグラフ型機電機という のを使ってるからなんですねバンデグラフ 型機電機ってのはこれなんですけども えっとベルトが絶縁性のベルトがぐるぐる ぐるぐるコンベアのように回っていまして それを下の方でこのベルトに静電器を 与えるんですね静電機を与えてベルト コンベアでビューっとえっと電荷を運んで いってえっとターミナルと呼ばれるところ でえっとそれを切り離してやるとそうする とここにどんどんどんどん電荷が溜まって いくのでこの電圧が上がるとえこの右の図 はですね若サワンエネルギーセンターに あるタンデムバンデグラフ型加速器の図な んですけどもそのバンデグラフ型機電機を 使って電圧を上げてる場所がここ ターミナルと呼ばれるところですマイナス のイオン源というとこでマイナスのイオン を作ってここをプ1万Vとか10万Vとか 100万vとかそういう非常に高い電圧に しといてそこに向かって-4を打ち込むん ですねでここでストリッパーを使って 切り離してドーンと押し出してエネルギー を得るとまそういう仕組みですつまりこの バンデグラフ型機電機を使って2回加速し てるのでタンデムバンデグラフ型加速機 って言うんですねでこのバンデグラフ型 機電機っていうのはですね実は結構 いろんなところにあるというかあの科学館 とか行くと絶対あるやつなんできっと皆 さん見たことあるんじゃないかと思うん ですね高等学校にの実習室でも見かける ことがありますえっとそれがですねこの
写真なんですけどもえっと私娘が2人おり ましてその下の娘が小学校3年生の頃その 頃可愛かったですもう何でもいうこと聞い てくれたのにもう今はねあれなんですけど もえその子を連れて名古屋の科学館に行き ましたそしたらですねあの科学学園院の お姉さんがこのバこれですタンデム バンデグラフが高きもう2になれば見た だけでわかるこれをゴロゴロゴロと代車で 持ってきたんですねもうお父さん物理学者 ですからねこの後何が起こるかすぐ分かる わけですねもうその地点で僕は娘の手を こうやって握って待機してましてお姉さん がじゃあ今日の実験お手伝のおっていう形 でバッと手を上げさせてまここに送り込ん だんですねでえっとここの電圧が非常に 高くなるので髪の毛がドーンて爆発するっ ていうのまやりたかったわけですねだけど ね残念ながらうちのこちょっと拷問すぎ ましてですねちょっと微妙な感じになって ちょっとね美しい思い出にはならなかっ たっていうそういう写真なんですけどもま あのこういった全バンデグラフ型あの機電 機を使った加速器っていうのは今でも使わ れておりますところがこの加速器には ちょっと弱点がありましてまあ2回しか 加速できませんのでね電圧の上限があるん です大体100万vま頑張って1000万 V世界に世界の中にある最も大きなこの タイプの加速器は2000万Vぐらいまで いくはずなんですけどもでもそのぐらいが 限界ですそれ以上行こうとするともう雷と 一緒なんでと一緒で放電を起こしてしまっ てそれ以上加速できないんですね エネルギーそれ以上上げられないじゃあ もっとエネルギー上げたい時はどうすれば いいかって言んですけどそういう時はです ねえっと線形の公衆波加速機というのを 使います公衆派加速器っていうのはどう いう風な加速器かって言うとえっと時間 ごとにプラスとマイナスの電気でえっと プラスマイナスが入れ替わる電極を使って 使う加速器なんですねどういったどういう ことかってのをちょっとまたお示ししたい んですけどもえっと先ほど今度はプラスの イオンから始めますもうストリップしたり しませんで0vのところと真ん中に- 10000vのところを作ってその向こう はまた0vこういう状況を作り出します そうするとこの電子が粒子が進む道筋に 従った電圧ってのはまこんな風に真ん中が くぼんだ感じになるんですけどこういう 状態にしておいとけば当然このプラスの 電子はこうに引かれてビューっと走ってて 真ん中まで来るわけですねで真ん中まで来
たらこの後どうしようもなくなるんです けどこの時にプラスとマイナスをカチっと 入れ替えるんです入れ替えてやるとこいつ はまた坂を転がるように落ちていくしか ないんでそうするとこれ繰り返し加速でき ますよねあとはこの先ずっとプラス マイナスプラスマイナスプラスマイナス 入れ替えてやればどこまでも加速できる 繰り返し加速をすることによっていくらで も上限を上げられるということに気がそう いう技術を人類は手に入れたわけなんです ねこれ埼玉県の陸学研究所というところに にある線形仮想器の写真なんですけどこの 黄色い小番型のものがずずっと並んでます けどこの1個1個の中にこのプラス マイナスが入れ替えられる電極が中に 仕込まれてますでこっち側から手前側から ドーンと落ち込んでプラスマイナスプラス マイナスカチャカチャチャチと切り替えて やればどんどんいくらでも繰り返し加速を していくらでもエネルギーが上げられる わけですね原理的にはただこれにも限界が ありましてもうあっという間に長くなっ ちゃうんですよねこれ線形加速器としては ま割と小ぶりな方ですけどこれでも見て 分かるようにこう長さ50mぐらいあり ますあいう間に50mぐらいになって本気 出そうとするとあっという間に1kgとか そのその単位になってしまうんですねだ いくらでも繰り返しができるとはいえ やっぱりちょっと長さに長さ的な限界が 生じてしまうわけなんですねじゃあどう するよって言んで次に考えたのが円形の 加速器ですじゃ丸くすりゃいいじゃん丸く してどうするかっちゅう話なんですけども え磁場をかけてやると家電粒子というのは 磁場の中で円運動をしますっていうのは 高等学校で習う話なんですけども自をかけ といてやれば加速された粒子ってのは同じ ところいつまでもぐるぐるぐるぐる円運動 するわけですねだからめちゃめちゃ長い ものを作る必要はないでその時にえ考え方 として2つのタイプがあります サイクロトロンタイプとシンクロトロン タイプ僕はこれをえエンゼルクリーム タイプとえなんだあしまったエンゼル クリームタイプとオールドファッション タイプと呼んでるんですけどミスタードナ スキ行くと売ってるやつですね中まで 詰まってるのがサイクロトロン中が詰まっ てないのがシンクロトロンどういうことか と言いますとサイクロトロンは中が詰まっ てますのでいろんな軌道で中を回ることが できます1番最初エネルギーが低いちゃ小 小さい軌道で回るんですねでどんどん
どんどん加速するとだんだんだん繰り返し 加速するとだんだんだんだん大きくなって いってあもうこれ以上ちょっと飛びで はみ出しちゃうなってなったらそこで 取り出して実験を行いますこれ サイクロトロンタイプ磁石の強さをま一定 に保ったままだだだんだん加速するために 外に行って最後に取り出すんですけどこれ はですね連続加速が可能という特徴があり ますサイクロトロンから取り出されてくる ビームってのはなんかこういう強度分布を するんですねずっといやまもちろんビーム が出てない時もあるんですけどこの 繰り返しのブレーキがかかる向きの電圧が かかる時間帯があるのでアクセルの向き アクセルがかかる向きの時間帯の時だけ えっと加速が続くっていうそういうビーム を取り出せますただこれもえっとやっぱり 大きさの限界があってこれ中身が詰まって ますのでねエネルギー上げようとすると 磁石がどんどんどんどん大きくなっていく んですねでやっぱ中身が詰まった磁石って のあっという間に重くなって作るのが大変 なのでこれも割と早め早めのところで エネルギーの上限の限界がきますそれを 乗り越えるために考えたのが今度は シンクロトロンオールドファッション タイプですねこれはどうするかというと 磁石の場所は磁石があるとこドーナツ タイプなので粒子が通るビームが通る ところにしか磁石はありませんで エネルギーが低い位置は自磁場が弱くて いいので磁場を弱く使ってだんだん だんだん加速してエネルギーが上がって くると磁場をぎゅっと上げていきますで ぎゅーっと自分を上げていってもうこれ 以上いけないってなったらそこでビームを ヒっと取り出して実験するんですねそし たらまたもう1回ヒュッと磁場を0に下げ てまた低いエネルギーから始めてぐるぐる ぐるぐる回して最後取り出すとえっとこの シンクロトロンタイプのいいメリットは ビームが通るところにだけ磁石を置けば いいのでかなり大きめの加速器を作ること ができますかなり大きめの加速を作ること ができるんだけどでも1回上げたらまた 下げて繰返やり直しになるのでえっと さっきのサイクロトロみたいにずっと トゲトゲトゲトゲビームが出てくるわけ じゃなくてドーンとビームを出したら しばらくお休みでドーンとビームを出し たらしばらくお休みでっていう連続加速が できないっていうメリデメリットがあり ますエネルギー低くてもいいから連続加速 したい時にはエンゼルクリームを使いえ
たまにしか来なくていいからものすごく 強い高いエネルギーのビームが欲しい時に はオールドファッションを使うってこれが ま素粒子原子格研究のま常識なんですねで えっと私は原子格の実験を行っております ので日本にはまそのタイプの加速機 たくさんあります実は素粒子のこととか 入れれるとあの他にもいっぱいあるので なんで俺んとこのの加速機書いてねえんだ よみたいな文句が出ると困るんですがこれ 僕が行って実験したことがあるというか僕 がよく使って実験してる場所を限定して 書いてみましたまず私大阪大学におります ので大阪大学核物理研究センターという ところには日本で2番目に大きなサイクロ トロン中の詰まったオールドファッション あエンゼルクリームタイプの加速機があり ます世界で1番大きなエンゼルクリーム サイクロトロンはどこにあるかというと 埼玉県の理科学研究所というところにあり ますこれ世界最大のものがあります一方 シンクロロはどこにあるかというと兵県の 山奥にスプリングエイトという施設がある んですがえここではあの電子のシンクロ トロンによって放射口を作る施設がここに ありますまたえっと茨城県の東海村には ですねJパークという陽子を加速する シンクロトロンがありましてこの非常に 大きなえっとシンクロトロンでえっと非常 にエネルギーの高い用紙を作って実験を するというようなことが行われていますま こんな風にえっと我が国には結構いろんな 加速器があるんですね1台1台が結構なお 値段のする内な加速機です一方世界で1番 でかい加速機はどこにあるかというと ヨーロッパにあるんですねえヨーロッパ 欧州原子機関3というとこのラージ ハドロンコライダーlhcっていうのが今 んところ世界最大の加速機ですどのぐらい 大きいかというと円形の加速付きなんです が1周27kmですフランスとスシのだ から国境国にまたがってあるんですねこの 航空写真がこれなんですけどこれぐるっと えっと1周27kmのトンネルが掘られて いますえ山手線よりはちょっと小さい ぐらい私京都に住んでおりますので京都の 土地に入れてみたんですけど皆さん京都に 行ったことあるかどうか分かりませんが もう今ね紅葉のシーズンで大変混雑して おりますけど京都駅がここにありまして 兄弟がここにありまして僕の自宅はこの辺 にあるんですけどま大体あの京都の町が すっぽり入るぐらいそういう巨大な加速機 なんですねそこでえ世界最高エネルギーで 14テラ電子ボルト14超電子ボルトと
いう量子ビームを使って総粒子の研究をし てる人たちがいますでこのね世界最大の 加速機が建設された時にはちょっと笑い話 がありましてあやばいあと2分しかない えっとこの加速こんな仮想機作んのよ こんな加速機作ったら世界滅ぼすんじゃ ねえかって言い出した人がいたんですねえ 大変お金のかかる加速機ですからまこの 加速機できたら何ができるかっていうこと は当然あの科学者は説明できなくちゃいけ ないんですがまいろんなことを言う中で1 つえこれを作ると宇宙ができた当初の状態 を再現できて微小ブラックホール作れます よみたいなこと言っちゃったんですねそし たらもうワグナーさんが心配しちゃって いらんことすんなよそんなことして地球が そのブラックホールに飲み込まれちゃっ たらどうすんだよっていう訴訟を起こされ ちゃったんですねあと他にもいろんなこと を言う人がいてえ例えばこれあの科学反応 の式から図からと教科書から取ってきたん ですけど皆さんあの科学で活性化エネル ギーって聞いたことないですかね アルコールって割と化学的に安定な物質な んですけどこれに活性化エネルギーを与え ちゃうと突然それを乗り越えて感能が 起こってもっと安定な状態に移行して熱が 放出されるその熱でまた次のエタノールの 活性化エネルギーが与えられこう連続的に 変化が起こるこう燃焼ですねこ連続的に 燃焼が起こるようになる今宇宙もこういう 状態だったらどうすんだよお前らがいらん ことして変なエネルギー与えちゃってこう 乗り越えてこっちに行っちゃったらその熱 でまた宇宙がどんどんどんどん燃えちゃっ たらどうすんだよ宇宙が燃えちゃ火事に なったらどうすんだよっていうそういう ことを言った人もいたんですねでそういう ま最もなツッコみなのでそれ真剣に科学者 を答えなくちゃいけないんですがしかし僕 に言わせれば僕にてか我々物理学者に言わ れゃそんなも絶対大丈夫なんですよなぜ 絶対大丈夫かえ今世界最大の加速器の話を しましたがそれよりもずっとエネルギーの 高い量子っていうのは宇宙から飛んでき てるんですねこれ観測データなんですけど 横軸がどのぐらいのエネルギーの粒子が どのぐらいの頻度で飛んできてるかという 観測結果ですエネルギーが低いところは もちろんたくさんいろんな粒子が飛んでき てるんですがエネルギーが増えていっても 減りはするもののずっといつまでもいつ までもめちゃめちゃ高いエネルギーの粒子 が宇宙にん宇宙から飛んできてるんですね えっとlhc世界最大の加速機の
エネルギーここです人間が作り出される 最大のエネルギーよりもずっと高い エネルギーの粒子が宇宙から飛んでき ちゃってるんですねでそういうのが空気 待機中にある原子核と衝突してずっと毎日 毎日反応起こしてるんですだから人間加速 機作ったぐらいで宇宙が溶けちゃうぐらい だったらもう多分特に溶けてるんです 138億年経って溶けてないっていうこと は大丈夫そんなこと絶対起こらないんです でじゃあでかい加速機繋がりですいません これ最後のスライドなんですけどもえ でかい繋がり加速機でもっとでかい加速機 作ろうよいうプロジェクトがありまして それインターナショナルリニアコライダー ILCと呼ばれる加速機ですこれ建設計画 なんですけどもどこで作るかっていうと実 は日本で作るんですねえ長さがですね 20kmある加速機です片側10km片側 10kmでこれはですね線形の加速器なん ですけどもえっと世界で最大の加速器でえ まずここで電子を作ってこで真ん中のこで ぐるぐるぐるっと回してドーンと10km を飛ばして折り返したとこからここから 本気でさらに加速してドーンと持ってくる 電子と呼ばれる電子の反流子をやっぱり 作ってぐるぐるっと回してドーンと遠くに 飛ばしてUターンさせてもう1回本気で ドーンと加速しさせて10km加速させ 真ん中で反応を起こさせるそうさっき線形 加速機の弱点はあっという間に長くなる からだって話をしたんですが構わない そんなものは金で解決するんだという計画 です10km10km20kmのえっと 加速器を作るんですねお金がかかるんです ねえ建設位が8300億円と見込まれてい てもちろんもうこれ国際あの国際協力で やるしかないのでえっといろんな国で担 するんですがこういうのは大体ホスト国が 半額出すってのが常識らしくてそそ 4000億円出さないといけないんですね え今の日本我が国に4000億円出せるえ のねあの余裕があるかどうかってのは非常 に微妙なところでしてえっとま政府とか 政治家を巻き込んだいろんな議論が行われ てるんですがま今のところはねまだ ちょっとなかなか進まないやっぱお高いん ですねはい4000億円を日本が払えるか また作ったら終わりじゃなくてですね作っ たらこうだ電気代とかそこで働く人件費も 払わなくちゃいけなくてそれが1年間に 400億円ぐらいずかかるんですね ちょっとやっぱこれなかなか大型計画 すぎるのでまだえっと議論の最中ですで この議論はですね結構あのニュースにも
なりましたので社会的な関心も高かったと 思うんですねえ島工作も行成を心配してる らしくてあのえ島工作の12巻ではこの ILCの話出てきますこれね高校で話を すると高校生ははって顔するんですよね僕 らの年代ですとねあのサラリーマンの ドラえもん島工作ってスーパーエリート サラリーマンなんですがま今の高校生に とってはあまりそういう感じでもない みたいです残念ですはいとというわけで えっとすいません時間が経ってしまったん ですがえっと量子ビームって何だろうと いうことでま量子ビームとは何なのか そしてそれどうやって作るのかそれは加速 機なんですよということで仮想金の紹介さ せていただきましたでま実例紹介して もっと実例をで量子ビはですね学術研究 だけじゃなくて医療産業にも広く使われて いてできればその僕の研究も含めてその 実例を紹介したかったのですがすいません 持ち時間に収まりませんでしたえこの後 講演が続きますので是非その講演でえっと 聞いて知っていただけたらと思います僕 自身の研究もね是非ご紹介したかったん ですけどま残念ですのでまたの機会にまた どこかのところでえっと僕の講演を聞いて いただける機会作っていただけたらと思い ますどうも本日ありがとうございました