原子はカメラが苦手なことで有名です。この素晴らしいカスタム リグを使えば、原子を捉えることができます。

ミシガン湖の西約 34 マイルにあるシカゴ郊外に、深さ約 330 フィートの穴が地面に空いている。昔、科学者たちはこの坑道を掘削したが、この坑道はこの世から消え去ってしまった素粒子物理学の実験に使われた。そして今、数年後には、MAGIS-100 という神秘的な名前の新しいプロジェクトにこの坑道が再利用される予定だ。

MAGIS-100 が完成すると、物理学者たちは、この装置を使って、宇宙の大部分を構成していると考えられている目に見えない謎の物質である暗黒物質や、ブラックホールの衝突などの宇宙の衝撃によって生じる時空のさざ波である重力波など、隠された宝物を発見する計画を立てている。物理学者たちは、雨粒ほどの大きさのストロンチウム原子の雲に残される量子的な特徴を観察することで、これらの捉えどころのない現象の痕跡を見つけたいと考えている。

しかし、実際にそれらの原子を観察するのは想像以上に難しい。物理学者たちはこれまで、同様の実験を行うためにスマートフォンに搭載されているカメラに匹敵するカメラに頼ってきた。そして、その技術は夕焼けやおいしそうな食べ物の写真を撮るのには十分かもしれないが、物理学者たちが原子レベルで観察できる範囲は限られている。

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幸いなことに、物理学者の中にはアップグレードした装置を持っている人もいる。カリフォルニア州スタンフォード大学のさまざまなグループからなる研究チームが、鏡のドームを使ったユニークなカメラ装置を開発した。追加の反射により、レンズに入ってくる光が何であるか、また特定の光の斑点がどの角度から来ているかがわかる。これにより、これまでにない方法で原子雲を覗くことができるようになると期待されている。

携帯電話のカメラやデジタル一眼レフカメラは、光がどこから来るかは気にしません。光子の強度と波長によって反射された色を捉えるだけです。家族や街のスカイライン、グランドキャニオンの写真を撮るにはそれで十分です。しかし、原子の研究には、まだまだ物足りないところがあります。「多くの光を無駄にしているのです」と、スタンフォード大学の物理学の大学院生で、このカメラの開発者の一人であるムルタザ・サフダリは言います。

物理学者は、研究している物体（または物体群）のより複雑な 3D 画像を描くことができるため、その情報を保存したいと考えています。物理学者が好んで行う繊細な分析では、一度に得られる情報が多いほど、より迅速かつ優れた結果が得られます。

その情報を得る方法の 1 つは、複数のカメラを設置して、さまざまな角度から写真を撮影し、それらをつなぎ合わせてより詳細な画像を作成することです。たとえば、5 台のカメラがあればうまく機能します。しかし、一部の物理実験では、非常に正確な測定が求められるため、1,000 台のカメラでも十分ではない場合があります。

そこで、スタンフォード大学の地下室で、研究者たちはその問題を回避するために独自のシステムを作ることにしました。「私たちの考えは基本的に、できるだけ多くの情報を完全にキャプチャし、方向情報を保持できるかということでした」とサフダリ氏は言います。

彼らが作ったプロトタイプは、既製品と 3D プリントされた部品で作られており、浅いドームのようで、内側には小さな鏡のような点が並んでいます。このパターンは、同心円の楽しい錯覚を作り出しているように見えますが、カメラに当たる光が最大になるように注意深く計算されています。

MAGIS-100 プロジェクトでは、撮影対象であるストロンチウム原子の雲はドーム内に設置されます。外部のレーザー光線からの短い閃光がミラー ドットで散乱し、さまざまな角度で雲を通過します。レンズは、結果として生じる反射、分子とどのように相互作用したか、どのドットで反射したかを検出します。

そして、その情報から、機械学習アルゴリズムが雲の3次元構造を再構築します。現在、この再構築には数秒かかりますが、理想的な世界では数ミリ秒、あるいはそれ以下で済みます。しかし、自動運転車を周囲の環境に適応させるトレーニングに使用されるアルゴリズムと同様に、研究者はコンピューターコードのパフォーマンスが向上すると考えています。

開発者たちはまだ原子でカメラをテストするまでには至っていないが、適切なサイズのサンプル部品をスキャンしてテストした。サンプル部品とは、使用予定のストロンチウム液滴のサイズの 3D プリントされた文字型の部品である。撮影した写真は非常に鮮明で、小さな文字 D、O、E が意図したデザインと異なる欠陥を見つけることができた。

MAGIS-100のような原子実験では、この装置は市場にある他の装置とは一線を画している。「最先端のものはカメラ、市販のカメラ、レンズだけです」と、カリフォルニア州のSLAC国立加速器研究所の物理学者で、スタンフォード大学の装置の共同開発者でもあるアリエル・シュワルツマン氏は言う。彼らは、原子雲を一度に複数の角度から見ることができるものを求めて、写真撮影装置のカタログをくまなく調べた。「何もありませんでした」とシュワルツマン氏は言う。

問題を複雑にしているのは、多くの実験で原子を絶対零度をわずかに上回る極低温に置かなければならないことだ。つまり、低照度条件が必要になる。明るい光源を長時間照射すると、原子が急速に加熱される可能性がある。カメラの露出時間を長く設定すれば効果があるかもしれないが、最終的な画像に必要な詳細と情報の一部を犠牲にすることも意味する。「原子雲を拡散させてしまうのです」と、カメラ製作チームの一員でスタンフォード大学の物理学大学院生、サンハ・チョンは言う。一方、ミラードームは、マイクロ秒単位の露出で、短いレーザーフラッシュのみを使用することを目指している。

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開発者たちの次の課題は、実際にカメラをMAGIS-100に設置することだ。カメラをもっと大きなシャフトに取り付け、真空にするには、かなりの調整が必要になる。しかし物理学者たちは希望を抱いている。このようなカメラは、原子の周りの不明瞭な効果を検出する以上のことができるかもしれない。設計者たちは、プラズマ中の粒子の追跡から工場の小さな部品の品質管理の測定まで、あらゆる用途にこのカメラを使用する予定だ。

「できるだけ短い露出時間で、1 回の撮影でできるだけ多くの光と情報を捉えることができるようになると、新たな可能性が開けます」とチョン氏は言います。