ウィルソン クラウド チェンバーは、亜原子粒子と放射線の軌跡をミスト トレイルの形で明らかにする粒子検出器です。主に 1900 年代初頭に使用されました。
アルコール、透明な容器、ドライアイスを使用するだけで、快適なソファから亜原子粒子 (および放射線) の通過を確認できることをご存知ですか?
心配しないでください、私も知りませんでした!
結局のところ、前述のコンポーネントと、いくつかのサポートおよび保護機器を組み合わせれば、放射線の観測に使用される雲室 (粒子検出器の一種) を構築するのに十分です。ウィルソン雲室の使用は現在ほとんど過去のものとなっていますが、この装置はとりわけ陽電子とミューオン (亜原子粒子) の発見に役立ち、素粒子物理学の分野で最も重要な発明の 1 つになりました。
ウィルソン雲室の建設
チャンバーは 1890 年代半ばにチャールズ ウィルソンによって発明され、元々は小さな雲を作成し、それに関連する光学現象を研究するために使用されていたため、クラウド チャンバー という名前が付けられました。 .装置を使用して行われたその後の研究と観察により、彼はチャンバーが亜原子粒子の動きを観察するためにも使用できることに気づきました。ほぼ 20 年後、ウィルソンは設計を完成させ、世界初の粒子検出器の 1 つを開発しました。
ウィルソンのオリジナルのクラウド チャンバーは、3 つの個別のサブチャンバー (高感度チャンバー、制御チャンバー、真空チャンバー)、水で密閉されたピストン、およびいくつかのバルブで構成されていました。敏感なチャンバーは、飽和空気 (相対湿度 100% の空気、つまり、空気は一般的な温度と圧力で可能な最大量の水蒸気を保持している) で満たされた密閉されたエンクロージャでした。このセクションでは、亜原子粒子の通過が見られます。
次に、制御室は一方の端にピストンを収容し、もう一方の端にバルブ (大気に開放) を収容しました。バルブを開くと、空気が制御チャンバーに突入し、ピストンを押し上げ、それによって敏感なチャンバー内のガスを圧縮します.
ウィルソンのオリジナルの雲室。
吸気バルブを閉じた後、制御チャンバーと真空チャンバーの間に設置された排気バルブを開きます。バルブは、制御チャンバー内の空気を逃がし、敏感なチャンバー内の空気が膨張してピストンを押し下げる余地を作りました.この空気の圧縮と膨張のサイクルが繰り返されるため、ウィルソンの雲室は膨張雲室としても知られています。しかし、ピストンの動きがぎくしゃくしたため、後にゴム製ダイヤフラムに交換されました。
ウィルソン雲室の働き
雲室は亜原子粒子自体を表示しませんが、動作中の蒸気の凝縮から生じる細かい霧の形でそれらのトラックを明らかにします。個々の亜原子粒子が通過すると、独自の霧/雲の跡が生じ、それらを識別し、その特性と挙動を研究するのに役立ちます.
雲室の動作は、飽和空気の膨張とピストンの下方への変位から始まります。ここで、熱力学の第一法則によれば、空気は内部エネルギーを犠牲にしてピストンで仕事をします。空気の内部エネルギーの減少は、温度の低下に反映されます。その結果、飽和した空気は、蒸気が凝縮しようとしている過飽和状態に達しますが、余分な推進力が必要です。この追加の推進力は、荷電粒子が高感度チャンバーを通過することによって提供されます。
敏感なチャンバーを通過する帯電した亜原子粒子は、軌道から電子をノックアウトすることによって空気分子をイオン化します。イオン化された分子は互いに引き付け合い、イオン化されたガス分子の軌跡を形成します。このトレイルは、過飽和蒸気の凝縮センターとして機能し、瞬く間に小さな水滴が凝縮し、チャンバーに落ち着く前に霧のトレイルを形成します。軌跡は通常数秒間続き、その特徴は電離粒子によって異なります。
雲室を使って初めて観測された陽電子の軌跡。 (写真提供:カール D. アンダーソン/ウィキメディア コモンズ)
最良の結果を得るために、通常は放射線源 (放射性元素) が使用されますが、宇宙線ミューオンが継続的に地球の大気に侵入するため、チャンバーは線源がなくても機能します。ウィルソンのオリジナルの雲室の主な欠点には、操作の流れが不連続であることと、1 秒あたりに検出できる粒子の量が限られていることが含まれていました。
1936 年、アレクサンダー ラングスドルフは、放射線を継続的に検出できる拡散雲室を建設し、凝固点が低いため、水蒸気の代わりにアルコールを利用しました。拡散雲室は、ウィルソンのオリジナルの雲室の構造を単純化したもので、上部が暖かく底が冷たいシンプルなガラス容器を使用しています。両側のダクトは、容器に流れ込むアルコールを気化させるのに役立ち、底は通常ドライアイスを使用して冷却されます.
上面と下面の温度差により温度勾配が急になり、飽和蒸気が過飽和状態になります。温度勾配は常に維持されており、チャンバーはこれを達成するためにピストンを使用していないため、放射線の通過を継続的に検出できます。残りの作業手順は、ウィルソンのオリジナルの雲室と同じです。
拡散雲室。 (写真提供:Nuledo/Wikimedia Commons)
最後の言葉
ほぼ 30 年間、ウィルソン雲室は主要な粒子検出器であり、素粒子物理学の研究の最前線に立っていました。チャンバーの 30 年間の治世は、他の優れたチャンバー、すなわちバブルチャンバー、スパークチャンバー、ワイヤーチャンバーなどの発明で終わりました。
気泡チャンバーは、ウィルソンの粒子検出器の動作原理を共有していますが、強化された構造を誇っており、よりエネルギーの高い粒子の軌跡を明らかにすることができます。スパーク チャンバーの進歩であるワイヤー チャンバーは、1 秒あたり最大 1,000 個の粒子を検出できますが、バブル チャンバーは 1 秒あたり 1 ～ 2 個の粒子しか検出できません。
上記の粒子検出器の発明者 (それぞれチャールズ ウィルソン、ドナルド グレイザー、ジョルジュ チャーパック) は、この分野での複数の重要な研究のための道具を構築したことで、ノーベル物理学賞を受賞しました。それらの男性とその機械がなければ、現在私たちが亜原子粒子と放射線について知っていることの多くは謎に包まれていたでしょう!
