物理学者が世界最小の粒子加速器を作った方法

粒子加速器といえば、欧州原子核研究機構（CERN）の大型ハドロン衝突型加速器（LHC）のようなものを思い浮かべるかもしれない。これは、宇宙の仕組みを解明するという名目で国境を越えて設置され、幅は数十マイルに及ぶ数十億ドル規模の巨大装置である。

しかし、粒子加速器にはさまざまな形態があります。現在、世界には 3 万台以上の加速器があります。LHC を含む一部の加速器は宇宙の秘密を解明するために設計されていますが、大部分の加速器ははるかに地上的な目的を持っています。明るい光線の生成から電子機器の製造、人体の画像化、がんの治療まで、あらゆる用途に使用されています。実際、病院は部屋ほどの大きさの医療用加速器をわずか数十万ドルで購入できます。そして先月、科学者たちはリストにもう一つの興味深いものを追加しました。これまでで最も小さい粒子加速器です。

物理学者たちはコインサイズの加速器を製作し、その成果を10月18日にネイチャー誌に発表した。この装置は単なる技術デモだが、開発者たちはこれがシリコンチップに収まるさらに小型の加速器への道を開くことを期待している。

「この論文は確かに本当に興味深く、素晴らしい物理学だと私は思っています。そしてこれは長い間続けられてきた取り組みです」と、この研究には関わっていないメリーランド大学の物理学者ハワード・ミルヒバーグ氏は言う。

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この小型加速器は、単なる小型の LHC ではありません。LHC は、運用カレンダーに応じて、陽子または鉛原子核を大きな円の周りで発射します。この小型加速器は、代わりに電子を直線上に発射します。

他にも数多くの線形電子加速器が存在したが、最も有名なのは、現在は解体された全長 2 マイルのスタンフォード リニア コライダーである。伝統的に、電子加速器は、振動する電磁場を含む金属空洞 (通常は銅製) に粒子を通すことで加速する。この空洞は、電波に乗るサーファーのように粒子を押し進める。

しかし、物理学者の中には、こうした旧式の加速器は理想的ではないと考える者もいる。金属製の空洞はエラーを起こしやすい。また、扱いにくく、大きな装置を必要とする。研究者らの新しい加速器は、その代わりに、精密なレーザーショットを使って電子を押し出す。

物理学者たちは 1960 年代からレーザー加速器の開発に取り組んできました。光の研究にちなんでフォトニック加速器と呼ばれるこの加速器は、キャビティベースの加速器よりも小型でコスト効率に優れています。しかし、レーザーが精度と価格面で十分になり、実験用のフォトニック加速器が実用化されるようになったのは、ここ 10 年ほどのことです。

小型化には、一連の困難な障害が伴う。大きな障害は、ミニ加速器の極小部品を製作するのに必要な高度な技術をエンジニアが持っていなかったという事実だった。

研究者が作ろうとしたコインサイズの加速器を例にとってみよう。まず、電子顕微鏡から再利用した部品を使って電子を生成する。次に、この装置は電子を柱状の構造物に押し込む。柱状の構造物は数百本のシリコン柱が2列に並び、それぞれ高さがわずか2マイクロメートルで、柱と柱の間の隙間はさらに小さい。レーザーが柱の頂上に当たると電界が生じ、内部に押し込まれた電子を加速させる（少なくとも理論上は）。

「このような小さな特徴を十分な精度で作ることは、極めて難しい」と、ドイツのフリードリヒ・アレクサンダー大学エアランゲン・ニュルンベルク校の物理学者で、論文の著者の一人であるトマーシュ・クロウバ氏は言う。「本当に最先端の装置が必要です。これらは安価な装置ではなく、90年代には入手できなかった装置です。」

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しかし、チップ製造は常に進歩している。現在、クロウバと彼の同僚は、半導体製造の世界ではすでに一般的な技術に頼ることができる。彼らは成功した試作品を作り上げた。このデバイスは、1秒間に約1個の電子しか送ることができず、粒子加速器の基準からするとわずかな量だ。（家庭にある平均的なデバイス内の平均的な配線は、その数千兆倍もの電子を運んでいる。）さらに、電子のエネルギーは、旧式のブラウン管テレビ内の電子とほぼ同じで、これも粒子加速器の基準からするとわずかな量だ。

その結果、「それがどの程度実用的になるかは分かりません」とミルヒバーグ氏は言う。コロネードにさらに多くの電子を詰め込むのは、ショットガンで的を射るようなものだと彼は言う。

実際、クロウバ氏は、彼と彼の同僚がこの加速器を現実世界の応用に近い用途に使用するのはまだまだ先のことだとはっきり述べている。それを実現したいなら、はるかに高いエネルギーを持った電子をもっとたくさん作らなければならない。また、負の電荷によって押しのけられることなく、電子の束が柱廊に沿って収まるかどうかも明らかではないとミルヒバーグ氏は言う。

しかし、研究者がこれらのハードルを乗り越えることに成功すれば、標準的なシリコンチップ上に配置できる粒子加速器のさまざまな用途をクロウバ氏は想像できるだろう。医療専門家はすでに皮膚がんの治療に電子加速器を使用している。それを念頭に、内視鏡で体内に挿入できるほど小型の加速器を思い描く医師もいるかもしれない。「これなら小型で、安価で、どこにでも収まる」とクロウバ氏は言う。