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1-C量子ビーム科学部門2017/05/15

光子と光子の相互作用の検証方法を提案
-量子電磁力学が20世紀に予測した現象の理解が期待される-

発表のポイント

  • 20世紀に予言され現在も未解明の問題である、光子と光子の合体や散乱などの相互作用の一つである、デルブリュック散乱を選択的に計測できる条件を理論計算で求め、新しい実験方法を提案した。
  • 世界で建設中の高輝度レーザーコンプトン散乱ガンマ線によって検証が期待される。

国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構(理事長 平野俊夫)・関西光科学研究所のジェームズ・コーガ上席研究員と高崎量子応用研究所東海量子ビーム応用研究センターの早川岳人上席研究員は、20世紀から続く物理学の問題の一つである光子と光子の相互作用を検証する方法を理論計算によって見つけ出し、新しい実験手法を提案した。
20世紀の量子電磁力学(QED)の登場によって、電磁気力と光が新しい理論によって記述されるようになった。量子電磁力学は従来の常識に反して、光子と光子が合体や散乱などの相互作用を行うことを予言した。しかし、このような現象が実際に発生する確率は極めて小さく、計算も困難であるため研究はあまり進展しなかった。しかし、電磁気力という根源的な力を記述する量子電磁力学の発展に必要なため、現在でも精力的に研究されている。
このような光子と光子の相互作用の一つに、デルブリュック散乱がある。デルブリュック散乱とは、光子が原子核の近傍で、電子と陽電子を生成した後に対消滅して、再び光子を生成する現象である。見かけ上、光子が原子核によって散乱されたように見える。デルブリュック散乱は、20世紀には主に原子炉で生成した放射性同位体を用いて実験が進められていた。しかし、この方法ではデルブリュック散乱のみが計測できないという致命的な問題が理論的に明らかになり、1990年代以降研究は停滞していた。21世紀に入りレーザーと加速器技術が急速に進展し、高輝度レーザーコンプトン散乱ガンマ線ビームが近い将来に実用化されてようとしている。この高輝度ガンマ線ビームの特性を生かした実験を行えばデルブリュック散乱のみを選択的に計測できる可能性がある。そこで、本研究では、現在の計算技術と計算機を駆使して理論計算を行い、デルブリュック散乱のみを計測可能な実験条件を求め、この条件に基づく新しい実験方法を提案した。現在世界で建設中の装置によって、実験可能であることを明らかにした。
本研究成果は、Physical Review Lettersのオンライン版に5月17日に掲載予定であり、
Editor's suggestionに選ばれた。
 

研究の背景と目的

20世紀、特殊相対理論と量子力学の提唱・構築によって、物理学は全く新しい概念を有する時代に突入した。例えば、光は波と粒子の性質を併せ持つ光子という概念に拡張された。電磁気力や電磁場を取り扱う古典電磁気学も、特殊相対性理論や量子力学の考えを取り入れて、量子電磁力学(Quantum electrodynamics:QED)に発展した。量子電磁力学の大きな特徴の一つは、電磁場と光を同時に取り扱うことであり、光子が重要な役割を担う。
量子電磁力学は、古典電磁気学ではありえない様々な現象が発生することを予測した。その中の最も重要な現象の一つが、光子と光子の相互作用の発生である。図1に示すように、光子と光子が1個の光子に合体する現象、光子が分裂する現象、光子と光子が散乱する現象などが知られている。特殊相対性理論が一般相対性理論に発展したように、量子電磁力学がより精密な理論に発展するには、量子電磁力学固有の現象である光子と光子の相互作用を理論、実験の両方から解明する必要がある。

  (図1)量子電磁力学における非線形効果の例の模式図
図1 量子電磁力学における非線形効果の例の模式図。

しかし、光子と光子の相互作用が発生する確率は非常に小さく、精力的に研究が進められているにも関わらず、実験的な検証はほとんどされていない。例えば、光子と光子の散乱は、大強度レーザーを用いた探索がこれまで行われているが、発生する確率の上限値が報告されているだけである。光子が分裂する現象については、ギガ電子ボルトエネルギー領域のレーザーコンプトン散乱ガンマ線ビームを用いた実験で1例報告されているだけである(レーザーコンプトン散乱ガンマ線については後で詳しく説明する)。光子と光子の合体については残念ながら研究がほとんど進んでいない。このように、現在でも光子と光子の相互作用については、ほとんど判明していない。
そのような光子と光子の相互作用の一つに、デルブリュック散乱がある。デルブリュック散乱は、図2の様な過程で進む(なお、本研究ではメガ電子ボルトのエネルギーを有する光子、すなわちガンマ線を考える)。まず、入射したガンマ線(光子)が、原子核が形成する電場において、電子と陽電子を生成して消滅する。次に、電子と陽電子が合体して対消滅することで再びガンマ線を生成する。新たに生成されたガンマ線をデルブリュック散乱したガンマ線と呼ぶ。この現象の特徴は、入射したガンマ線と散乱したガンマ線のエネルギーが等しい点である。エネルギーが定まっているガンマ線を適当な物体に照射し、入射ガンマ線と同じエネルギーを有する散乱ガンマ線の数を数えることで、デルブリュック散乱が発生する確率(強度)を評価できる。デルブリュック散乱が発生する確率は、光子と光子の合体や、光子の分裂と比較して極めて高いため、20世紀に実験・理論ともに精力的に行われていた。
しかし、デルブリュック散乱の測定実験には重大な問題があることが理論的に判明した。デルブリュック散乱のように、入射前と散乱後にエネルギーが変わらない散乱はコヒーレント散乱と呼ばれる。コヒーレント散乱には、デルブリュック散乱以外にも、レーリー散乱、原子核トムソン散乱、原子核の巨大共鳴等の複数の種類の散乱が存在している。入射前と同じエネルギーのガンマ線の数を計測する従来の実験手法では、デルブリュック散乱と、その他のコヒーレント散乱を識別できないため、デルブリュック散乱が発生する確率のみを測定できなかった。また、他の光子と光子の相互作用と比較して、より複雑な過程であるデルブリュック散乱の理論計算は非常に複雑であり現在でも完全には計算できない。これらの理由で、1990年代以降、デルブリュック散乱の研究は停滞していた。
21世紀に入り、レーザーと加速器の科学が進展し、高輝度レーザーコンプトン散乱ガンマ線ビームが世界で実用化されようとしている。この高輝度ガンマ線ビームには、従来のガンマ線源にはない数々の傑出した特徴がある。この特徴を生かした新しい種類の実験を行えば、デルブリュック散乱のみを選択的に計測できる可能性がある。一方、コンピューターも飛躍的に進歩している。そこで、本研究の目的は、世界で開発が進められる高輝度レーザーコンプトン散乱ガンマ線ビームを用いた場合に、デルブリュック散乱の効果のみを取り出すことが可能な条件を理論計算によって見つけ出し、新しい実験方法を提案することであった。

  (図2)デルブリュック散乱の概念図
図2 デルブリュック散乱の概念図。
原子核の形成するクーロン場に入射したガンマ線が消滅して電子と陽電子を生成し(対生成)、電子と陽電子が消滅してガンマ線を生成する(対消滅)。
 

検証方法

20世紀において、デルブリュック散乱実験に用いることができた主要なガンマ線源は、原子炉で生成した放射性同位体であった。原子炉内部に特定の金属を入れ、原子炉内の中性子を吸収させて多量の放射性同位体を生成する。これらを原子炉から取り出して一部に穴の開いた遮蔽物の中に入れる。放射性同位体のベータ崩壊にともなって放出されるガンマ線の一部が遮蔽物の穴を通して外部に放出される。このガンマ線を試料に照射し、散乱したガンマ線を計測する手法で、デルブリュック散乱の研究が主に進められた。しかし、この手法ではデルブリュック散乱のみが発生する確率を計測できないという問題があるばかりか、多量の放射性同位体の取り扱いが困難という問題があった。
一方、1990年代より、レーザーコンプトン散乱ガンマ線ビームの開発が進められた。レーザーコンプトン散乱ガンマ線とは、高エネルギーの電子にレーザーを散乱させることによって生成されるガンマ線である(図3参照)。高エネルギー(数百メガ電子ボルトから数ギガ電子ボルト)の電子にレーザーを衝突させると、レーザーは電子からエネルギーを得て、メガ電子ボルト~数十メガ電子ボルトのエネルギーのガンマ線に変換される。もともと、エネルギーが揃っているレーザーが変換されるので、変換後もエネルギー幅が比較的揃っているという特徴を有する。また、空間的にも線状に細くなったビームが生成される。生成するガンマ線のエネルギーは、電子のエネルギーやレーザーの波長(エネルギー)を変更することで調整できる。

(図3)レーザーコンプトン散乱ガンマ線の概念図
図3 レーザーコンプトン散乱ガンマ線の概念図。

メガ電子ボルト領域のレーザーコンプトン散乱ガンマ線ビーム発生装置は、1990年代からデューク大学(米)と産業技術総合研究所(東日本大震災の影響で装置は停止した)等で開発され、様々な研究が行われてきた。数百メガ電子ボルトから数ギガ電子ボルトのガンマ線装置も開発され、素粒子物理学研究に用いられた。その中の一つ、ブドカ核物理研究所(ロシア)で光子の分裂の測定実験が行われている。また、近年、ニュースバル放射光施設(兵庫県立大学)と分子科学研究所でもレーザーコンプトン散乱ガンマ線装置が稼働し始めた。そのため、メガ電子ボルト領域のレーザーコンプトン散乱ガンマ線の生成と利用研究については、日本とアメリカが世界をリードしてきたと言っても過言ではない。一方、近年のレーザーと加速器技術の進展によって、現在のガンマ線源より3桁以上も輝度が高い次世代のレーザーコンプトン散乱ガンマ線装置の開発が実現可能になり、世界各国で開発が進められている。EUのプロジェクトとして、世界最高性能を目指したELI-NPガンマ線装置がルーマニアに建設中である。アメリカでは、ローレンスリバモア国立研究所が、MEGa-rayと呼ばれるELI-NPと同等な装置を建設中である。このように、世界各国で高輝度レーザーコンプトン散乱ガンマ線ビーム装置が実用化されようとしている。
 

計算内容と提唱する実験方法

レーザーコンプトン散乱ガンマ線装置の特徴の一つは、直線偏光したガンマ線ビームを生成可能であるという点である。直線偏光したガンマ線とは、光を構成する電場ベクトルと磁場ベクトルの振動する面が固定された状態である(なお、通常の光は、これらの面の向きがランダムであったり回転していたりする)。そのため、直線偏光したガンマ線が入射した場合、散乱の種類によって散乱しやすい角度が異なる。そこで、本研究では、実験の具体的な配置を考えると同時に、デルブリュック散乱とその他のコヒーレント散乱について、個々に散乱する確率を計算し直した。最終的には、図4に示すような実験を考えるに至り、どの角度で散乱したガンマ線を計測すればデルブリュック散乱を選択的に計測できるか探した。
図5に計算結果の一例を示す。この計算結果は前方を0度として、前方から70度の角度で、デルブリュック散乱以外のコヒーレント散乱の和が最も小さくなる。一方、デルブリュック散乱の強度は角度に対してなだらかにしか変わらない。そのため、この角度で計測すれば、デルブリュック散乱の強度のみをほぼ純粋に計測することができる。すなわち、デルブリュック散乱のみを選択的に計測できる実験条件を見出したのである。さらに、ELI-NPで建設中の高輝度ガンマ線施設で、本提案の実験を行った場合に得られる結果を評価した。その結果、76日間の実験を行えば、1%の統計誤差でデルブリュック散乱の強度を計測できるとの結論を得た。したがって、本提案における実験は近い将来可能である。

(図4)直線偏光ガンマ線による実験の概念図
図4 直線偏光ガンマ線による実験の概念図。
直線偏光ガンマ線ビームを適当な試料に照射する。
ビーム軸に対して前方から70度の角度に検出器を配置して、散乱されたガンマ線の強度を計測する。


    (図5)計算結果の一例
図5 計算結果の一例。
デルブリュック散乱以外のコヒーレント散乱の和は、前方から70度で急激に小さくなる。
一方、デルブリュック散乱は緩やかにしか変わらないため、70度で計測すると、デルブリュック散乱の強度をほぼ純粋に計測できる。
 

本研究成果の意義

光子と光子の相互作用を検証する様々な実験が提案されているが、高い精度で5年以内に実現可能なのは本提案のみと言っても過言ではない。そのため、この研究が進めば、物理学の基礎的な理論の一つである量子電磁力学が予測した光子と光子の相互作用という問題が大きく進展すると期待される。
デルブリュック散乱は、真空中から仮想的に電子と陽電子(電子の反粒子)を生成するものであり、真空そのものの研究でもある。現在のデルブリュック散乱では、電子と陽電子の生成を考えているが、ガンマ線のエネルギーが高ければ、原理的には別の種類の粒子とその反粒子の生成によるデルブリュック散乱も発生する。仮にダークマターなどの未知の粒子・反粒子生成によるデルブリュック散乱が測定されたら、未知の素粒子の発見につながる可能性がある。
光子と光子の相互作用は、宇宙でも発生していると考えられている。ソフトガンマリピーターと呼ばれるX線を放出する天体の正体が、強い磁場を持ったマグネターと呼ばれる天体ではないかと推測されている。ソフトガンマリピーターのX線のエネルギー分布から、強い磁場中で光子の分裂が発生しているのではないかとの仮説がある。デルブリュック散乱の強度が精密に決定されれば、光子の分裂の計算精度も高くなり、このような宇宙の現象の理解もすすむと期待される。
 

用語解説

1)量子電磁力学
量子電磁力学は特殊相対性理論と量子力学を取り入れて、光と物質の相互作用を取り扱う理論である。朝永振一郎、ジュリアン・シュウィンガー、リチャード・P・ファインマン、フリーマン・ダイソン等によって計算のための式が構築された。なお、前三者は共同で、量子電磁力学の分野における基礎研究と、素粒子物理学についての深い結論について1965年にノーベル物理学賞を受賞した。

2)レーリー散乱
レーリー散乱は光の波長より、ある粒子の大きさが非常に小さい場合に発生する光の散乱である。空が青い理由として有名である。

3)レーザーコンプトン散乱ガンマ線
加速器で加速した数十メガ電子ボルトから数ギガ電子ボルトのエネルギーを有する電子と、レーザー光をコンプトン散乱させることで発生させるガンマ線。エネルギーの高い領域では、レーザー光を光子(粒子)と見なすことができる。光子と電子の散乱によって、光子は高いエネルギーを電子からもらい、数十メガ電子ボルトから数ギガ電子ボルトのエネルギーを持つ光子(ガンマ線)に変換される。入射したレーザー光は指向性が高くエネルギーが一定であるため、生成されたガンマ線も高い指向性と比較的狭いエネルギー幅を有する。

4)メガ電子ボルト
エネルギーの単位。1ボルトの電圧が印加された状態で、1個の電子が加速されることで得られるエネルギーが1電子ボルトになる。1キロ電子ボルトはその1,000倍、1メガ電子ボルトはその1,000,000倍、1ギガ電子ボルトはその1,000,000,000倍に対応する。

5)ELI-NP
Extreme Light Infrastructure - Nuclear Physicsの略称。ルーマニアで建設中の光核科学研究の拠点。大強度レーザー2台と、高輝度レーザーコンプトン散乱ガンマ線装置が主な装置である。特にガンマ線装置は、完成後には世界最高性能を達成する予定である。なお、現在の研究部門を束ねるサイエンス・ディレクターは田中和夫博士である。

6)MEGa-ray
ローレンスリバモア国立研究所で開発中の高輝度レーザーコンプトン散乱ガンマ線装置である。本装置は、基礎科学研究の目的以外にも、テロリストがトラックの荷台に隠ぺいした核兵器を非破壊で探知する技術の開発などの目的を有する。

7)マックス・デルブリュック(1906~1981)
物理学で博士号を取得し、20代でデルブリュック散乱を発見する。その後、ニールス・ボーアに触発されて生物学に転向し、遺伝子に関する研究を進めた。1969年にウィルスの増殖機構と遺伝物質の役割に関する発見で、ノーベル生理学・医学賞を受賞。20世紀における多元的な才能を持つ天才の1人。

8)マグネター
質量が大きい恒星が終焉に中性子星やブラックホールを形成するように、 磁場の極めて強いマグネターを形成すると考えられている。ソフトガンマリピーターと呼ばれるX線を放出する天体の正体が、マグネターではないかと推測されている。

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