1951 年のように宇宙線を瓶の中に閉じ込める方法

宇宙でも地球でも、エネルギーの放射は止まることはありません。10 年以上にわたり、国際宇宙ステーションの宇宙線バケツ (アルファ磁気分光計と呼ばれる装置) には、尽きることのない陽子、原子核、その他の原子核の破片の洪水から採取された数億のサンプルが集められています。国内では、スイスに拠点を置く欧州原子核研究機構 (CERN) で使用されているような霧箱が、目に見えない宇宙の嵐を照らしています。

1951 年 3 月、長年ポピュラーサイエンス誌に寄稿してきたケネス・M・スウェジー氏は、宇宙愛好家や DIY 愛好家に、ピーナッツバターの瓶を使って霧箱を作る手順を説明したガイドを提供しました。「霧箱の秘密は過飽和蒸気です」とスウェジー氏は書いています。「原子粒子がこの蒸気の中を飛び回ると、その進路にある分子が凝縮し、目に見える水滴が残ります。まるで高高度を飛ぶ航空機の蒸気の跡のようです。」

最初の霧箱は、空気中の霧を再現し、その挙動を研究するために、物理学者チャールズ・トーマス・リース・ウィルソンによって 1895 年に考案されました。1910 年までに、ウィルソンは過飽和空気をイオン化し、水滴を形成する荷電粒子の軌跡を観察し始めました。ほぼ同じ時期に、物理学者ビクター・ヘスは、宇宙線と名付けた荷電粒子が宇宙から地球の大気圏に侵入していることを突き止め、この発見により 1936 年にノーベル賞を受賞しました。

天体の火花はどこにでもあるにもかかわらず、その起源は謎に包まれている。ただし、超新星や太陽のような普通の恒星が主な発生源であると考えられている。エネルギービームが地球の上層大気の原子と衝突し、パイオン、ミューオン、電子、陽電子などの荷電亜原子粒子が生成される。これらのイオン化された軌跡は霧箱の中で細い線として現れる。地球上の放射線も宇宙線を生成する。

1950年代にスウェジーが自宅の霧箱を提供したとき、その用途はいくぶん実用的だと思われた。冷戦の悪化に拍車がかかった核戦争の恐れがニュースの見出しを独占していた。自家製の霧箱は、近くの爆発による原子粒子はもちろん、ラドンガスなどの放射性崩壊の産物であるアルファ粒子や、1970年代まで時計の文字盤に塗られていたラジウムからのガンマ線も検出できる。

宇宙線の嵐を見るには、まずガラスかプラスチックの瓶を用意します。大きいほど良いです。底と蓋の内側に黒いフェルトを接着するなど、暗い背景があると、よりよく見えます。底の材料を消毒用アルコールで浸し、蓋を閉めて、ドライアイスの上に瓶を逆さまに置きます。装置が冷えると、蒸気が発生します。ライトを消して、懐中電灯で瓶を照らします。細い線が現れるはずです。完全にまっすぐなもの (高エネルギーのミューオン、瓶を突き抜けるほど大きい)、ジグザグのもの (電子と陽電子、周囲の粒子に当たって弾けるほど小さい)、消しゴムで消したようなもの (ラドンによって生成されたアルファ粒子、重く高電荷を帯びているためイオンの周囲を取り囲む) などがあります。

1951 年の霧箱のレシピは今でも使えますが、CERN では同じ基本材料を使った最新の説明ビデオを提供しています。ドライアイスが見つからない場合は、既製の霧箱を通常の冷凍庫の温度で使用できます。必要なのは、雲を発生させるためのほぼ純粋なエタノールと熱湯だけです (機器のコストをカバーするために数百ドル余分に必要です)。

このストーリーはもともと、Popular Science の High Issue に掲載されました。PopSci+ のストーリーをもっと読む。