Transcript 霧箱の製作と実験 ～目で見る放射線～

原子核・ハドロン物理学
研究室
オープンキャンパス
霧箱の製作と実験
～目で見る放射線～
2009/8/7
研究室訪問
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予定 1回目
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研究室についての簡単な説明
 霧箱

• 説明
• 製作

放射線の話
• 観察
現在の研究
 （時間があれば）質問タイム

予定 2回目
加速器の説明
 タンデム加速器見学
 研究紹介

原子核・ハドロン研究室

原子、原子核、ハドロン、クォークと広い
物質の階層を対象に、 相互作用と多体
系の基本的な性質の探究を主眼として
研究を行っています。
原子核とは?ハドロンとは?


原子は物質の最小構成要素ではない！
原子核

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原子の中心にある小さな粒子の集まり
ハドロン

原子核を構成している陽子や中性子などの粒子(バリオ
ン)や、π中間子などの粒子(メソン)
e-
p : 陽子
ちなみに
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レプトン

電子やニュートリノな
どの粒子(計6個)
n
n : 中性子
p
p
n
e- : 電子
e-
例：ヘリウム原子の場合（概念図）
原子と原子核の大きさの比較
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例えば鉛の場合、


原子の半径 ： ～160 pm ≒ 1 x 10-10 m
原子核の半径 ： ～7.2 fm ≒ 1 x 10-14 m
原子核は原子の10000分の1の大きさ！
ビー玉と東京ドームの大きさの関係と同じくらい

原子の質量の99.9%以上が原子核の質量！
現代の素粒子像
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
ハドロンはさらにクォークと呼ばれる粒子から構成されているこ
とが知られている。
現在、6種類のクォーク・6種類のレプトンが知られている。

ク
ォ
ー
ク
レ
プ
ト
ン
u
c
t
γ
d
s
b
g
νe
νμ
ντ
Z
e
μ
τ
W
力
の
伝
達
粒
子
クォークとレプトンの他に力
の媒介粒子が存在する
u
u
u
d
d
d
陽子
中性子
私たちの研究と放射線

原子核やハドロンを研究する際には、原子核など
を加速して別の原子核に当て飛び出してくる粒子
の種類や質量や速度を調べることをよく行う。

飛び出してくる粒子は放射性元素などからの放射
線とよく似た性質をもっているので、放射線を見る
ことは実験でとても大事になる技術である。

今日は、普段全くなじみが無いであろう放射線を観
測してみる。
でも放射線って危なくないですか?
まずは放射線を知ってください！
放射線の種類と特性
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α(アルファ)線
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
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β(ベータ)線


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電離作用：中
実体：電子
γ(ガンマ)線



電離作用：強
実体：ヘリウムの原子核
電離作用：弱
実体：光・電磁波
中性子線


電離作用：弱
実体：中性子
電離作用：反応することで物
質をイオン化すること
放射線と人体への影響
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
人が浴びた放射線の量を測るには、しばしば「シーベルト
(Sv)」という単位が用いる。
200mSv未満の場合には、臨床症状は確認されていない。
ちなみに、
最近宇宙から戻った若田宇宙飛
行士は、4ヵ月半の宇宙生活の
間に約90ミリシーベルトの被曝
をしたそうである。
一般的な人の約30~40年分の
量に相当する。
放射線作業従事者である私も確認していますが、毎月0.1mSv以下であ
る。(測定限界以下です)
霧箱の製作
身近な素材で放射線を見ることができる。（家
でも作れる）
 放射線は目に見えない。しかし、放射線が
通った跡（軌跡）は見える。
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
「マントル」を使う。

非常に弱い放射線源
完成した霧箱
マントルとは
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キャンプなどに用いられるランタ
ンの芯に使われるもの
ホームセンターなどで購入可能
ごくごく微量の放射線源を含む
（トリウム）
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
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
ホームセンターで誰でも買える
ようなもの。キャンプ用品。
最近は含まないものもある。
ランタン
人体に害はない。
但し、食べたり触った手をなめ
たりするのはあまりよくない。
マントル
霧箱の仕組み
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温


β線
α線
冷
エタノールが蒸
発し、ビンの底
近くで冷やされ
る。
液体になる温度
まで冷えても
“きっかけ”が無
いと液体になり
にくい(過飽和)
放射線が通った
ことにより液体
になり、霧がで
きる。
霧箱と似た検出器
～粒子の軌跡の観測～
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泡箱
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

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過飽和ではなく、液体（液体水素など）を過熱状
態にする
荷電粒子が通ると激しい沸騰が起き、軌跡に
そって泡ができる
粒子が通過した時間に合わせて写真を撮る
原子核乾板（エマルション）


特殊な写真乾板を用いて、その中を通過した荷
電粒子の軌跡を記録する
実験後に現像し、軌跡を3次元で解析する
電流と磁界の相互作用
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

中学校で学んだように（合ってます？）磁界があるところを電
流が流れるとある決まった方向に力を受ける（フレミング左手
の法則）
電流は、電荷を帯びた粒子の運動により生じる
つまり、電荷を帯びた粒子が磁界の中を通ると、粒子が持って
いる電荷の符号によって力を受ける向きが違う。

曲がり方で粒子の電荷の符号がわかる
進行方向
磁場：画面垂直下向
+
－
力の向き
新粒子の発見と物理の進展
1-1
1940年、宇宙線を霧箱
で観測して不思議な軌跡
が発見された
 ストレンジ粒子の発見

新しい自由度の存在と、ハドロ
ンが複合粒子であることの示唆
ローレンス・バークレー研究所による泡箱写真
新粒子の発見と物理の進展
1-2

ストレンジ粒子とは？


陽子や中性子、π中間子には無かった新たな自由度“ストレ
ンジネス”を持つ粒子のこと。
後のクォークモデルでは、s(ストレンジ)クォークを含む粒子。
s
d
s
-
Ξ (グザイマイナス)
u
d
s
Λ(ラムダ)
u
s
-
K
新粒子の発見と物理の進展
2
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

ある対称性（SU(３)対称性）を仮定したときに理論的に予
想される新粒子Ω （オメガマイナス）が泡箱で初めて発見さ
れた。
質量、寿命ともに
理論の予想通り
であった。
この成功に刺激
されて、クォーク
モデルが提唱さ
れた。
1964年ブルックヘブン国立研究所（アメリカ）
新粒子の発見と物理の進展
3
２つのΛ(ラムダ)粒子を含


2001年発表の論文
む原子核が、初めて明確に
確認された。(原子核乾板)
ΛΛ間の相互作用について
の情報が得られた。
現在の私たちの研究

ストレンジネス核物理


スピン核物理


N/Zの偏った原子核
低速中性子を用いた基礎物理


陽子の内部構造
不安定核物理学


sクォークを含む原子核
AC効果の精密測定に向けて
アクシオン探索

暗黒物質候補の探索
おわり