レンズは日常生活の一部であり、ページ上の単語、星の光、微生物の細部に焦点を合わせるのに役立ちます。しかし、ガンマ線として知られる非常にエネルギーの高い光のレンズを作ることは、不可能だと考えられていました。現在、物理学者はそのようなレンズを作成しており、医療画像処理、違法な核物質の検出、核廃棄物の除去のためのガンマ線光学の新しい分野を切り開くと考えています。
ガラスは従来のレンズに最適な材料であり、他の材料と同様に、電子が周回する原子を含んでいます。不透明な材料では、これらの電子は光を吸収または反射します。しかし、ガラスでは、電子は入ってくる光に反応して揺れ動き、光を別の方向に押しのけます。物理学者は、曲げの量をガラスの「屈折率」と表現しています。屈折率が 1 の場合、曲げは発生しませんが、屈折率が 1 に等しい場合は曲げられず、多かれ少なかれいずれかの方向に曲げられます。
屈折は、電磁スペクトルのごく一部である可視光でうまく機能します。これは、光の波が周回する電子の振動とうまく調和する周波数を持っているためです。しかし、より高いエネルギーの電磁放射 (紫外線など) の場合、周波数が高すぎて電子が応答できず、レンズの効果はますます低下します。物理学者が、パターン化された材料の多数の層を積み重ねることによって、紫外線のすぐ上の電磁スペクトルの一部である X 線用のレンズを作成できることを発見したのは、20 世紀の終わり頃になってからのことでした。このようなレンズは、X 線の短波長を使用して、ナノスケールの解像度でのイメージングを可能にする X 線光学の分野を切り開いた。
そこで話は終わるはずだった。理論によると、ガンマ線は X 線よりもエネルギーが高く、周回する電子を完全に迂回するはずです。材料はそれらをまったく曲げてはならず、ガンマ線の屈折率はほぼ 1 に等しくなければなりません。しかし、これは、ドイツのルートヴィヒ・マクシミリアン大学ミュンヘンのディートリッヒ・ハブスと、フランスのグルノーブルにあるラウエ・ランジュヴァン研究所 (ILL) のマイケル・イェンシェルが率いる物理学者のチームが発見したものではありません。
ILL は、強力な中性子ビームを生成する研究用原子炉です。 Habs、Jentschel、および同僚は、そのビームの 1 つを使用して放射性塩素とガドリニウムのサンプルを照射し、ガンマ線を生成しました。彼らは、これらを長さ 20 メートルの管から結晶分光計として知られる装置に導き、ガンマ線を特定の方向に向けました。次に、ガンマ線の半分をシリコン プリズムに通して別の分光計に送り、最終的な方向を測定し、残りの半分は妨げられずに分光計に向けました。 Physical Review Letters に今月掲載される予定の論文で報告されているように、研究者は驚いたことに 700 キロ電子ボルトを超えるエネルギーを持つガンマ線は、シリコン プリズムによってわずかに曲げられます。
「すべてが間違った予測でした」と Habs 氏は説明します。 「しかし、私たちは、[屈折] は X 線にとって非常に素晴らしいように見えると言いました。何かがあるかどうか調べてみませんか? そして突然、まったく予想外の効果があることがわかりました。」
では、この新しい曲げ効果の原動力は何でしょう?確かではありませんが、Habs はシリコン原子の中心にある原子核に存在すると考えています。原子核には非常に強い電場があるため、通常、電子は原子核内に存在しませんが、量子力学により、「仮想」電子と反電子または陽電子のペアが短時間点滅して存在し、再結合して再び消滅することができます。 Habs は、これらの仮想電子陽電子ペアの膨大な数が、通常は無視できるガンマ線散乱を検出可能な量まで増幅すると考えています。
彼のグループの実験での曲がりはそれほど大きくなく、約 100 万分の 1 度であり、これは約 1.000000001 の屈折率に相当します。しかし、より多くの仮想電子-陽電子対を含むはずの、金などのより大きな核を持つ材料で作られたレンズを使用して、それを後押しすることができます。いくらか改良すれば、特定のエネルギーのビームを集束させるガンマ線レンズを作ることができます。
このような集束ビームは、放射性爆弾を作る物質、または医療画像で使用される放射性トレーサーを検出できます。これは、ビームが特定の放射性同位体からのみ散乱し、他の放射性同位元素を妨げられずに通過するためです。ビームは、既存のサンプルから陽子または中性子を「蒸発」させることによって、新しい同位体を完全に作ることさえできます。そのプロセスは、有害な核廃棄物を無害で非放射性の副産物に変える可能性があります。
「X 線光学系の進歩を見るのは素晴らしいことです…過去 20 年間で、現在 [ガンマ線] の範囲に移行している可能性さえあります」と、ダイヤモンド光源、X-英国のディドコットにある光線施設 「ガンマ線光学系の可能性について著者らが行った予測が実現され、それらが実際の光学部品に変わることを願っています。」
