Cloud Chamberは、電離性粒子を検出し、その軌道を決定するために用いられる装置である。 粒子はチャンバー内に凝縮した痕跡を形成し、それが細かい霧として見えるため、チャンバーを通過する粒子の経路を示します。 クラウドチェンバーは電離性粒子を検出するために使用されます。 電離箱の中を通過する電荷を帯びた粒子はすべてこれに含まれます。電離箱内の軌跡から電離量を推測し、粒子の性質や正体を判断するのに使用されます。 アルファ線、ベータ線、ガンマ線はすべて電離するため、雲箱は特に放射性元素の研究に使われました（アルファ線が最も電離が大きい）。 粒子シャワーで生成される二次線はミューオンや電子のような電離粒子なので、宇宙線も雲箱で検出することができる。 宇宙線はスパークチェンバー
の有力な研究分野となったが、陽電子やカオンの発見など、宇宙線から得られた初期の大発見のほとんどは、クラウドチェンバーで行われたものであった。
その仕組みは？
最初の雲室は、ガラス室の中に水で飽和させた空気を入れて使用しました。 この部屋の底を下げると部屋の容積が増え、その中の気体も膨張し、その結果仕事をすることができる。 しかし、この変化は断熱的であり、熱の移動を伴わない。 熱力学の第一法則によれば、エネルギーは保存され、生成も破壊もできない。したがって、この膨張のためのエネルギーは、どこからか来たものでなければならない。 内部エネルギーは気体中の分子の温度と関係があるので、チャンバーが膨張すれば温度は下がります。 その結果、水蒸気は凝縮に近づき、過飽和状態になる（詳しくは付録を参照）。 アルファ線やベータ線などの電離粒子がこの蒸気を通過すると、形成されたイオンが周囲の蒸気の凝結点として働き、目に見える雲が形成される。より現代的な雲室（拡散室）は、水の代わりにアルコールを使い、室の容積を変えずにドライアイスを使って室の底部を冷却するため、オリジナルの装置とは異なる働きをする。 そのため、アルコールの蒸気はタンクの底部に落ち、過飽和状態になる。 例えば、方向が頻繁に変わるということは、ガス分子と頻繁に相互作用していることを意味し、これは通常アルファ粒子（放射線の中で最も電離性の高いもの）によって示されます。 電界や磁界をかけると、荷電粒子は曲線を描くようになります。 正と負の粒子は異なる方向にカーブし、互いに区別できるようになる。
Cloud Chamberの開発
| 年 | 開発 |
|---|---|
| 1894-5 ＜3581＞ | Charles T.R.。 ウィルソン、実験室で小さな雲を作るための雲室を発明。 3581> |
| 1910年 | ウィルソンは、放射性物質から放出される新発見の素粒子を特定し説明する作業に雲箱が使えることに気づく |
| 1924年 | Patrick Blackettが雲箱を使って窒素からフッ素に変換される様子を観察する。 1932年 |
| ブラケットとジュゼッペ・オッキアリーニは、宇宙線が入射したときだけ写真を撮るガイガーカウンターシステムを開発した。 また、ブラケットは、バネを取り付けたダイヤフラムを使って、雲の痕跡を観察するのに必要な条件に素早くチャンバーを再調整することで、研究作業をスピードアップする方法も考案していた | |
| 1933 | Carl D. Andersonが雲室内で反電子である陽電子を発見 |
| 1936 | Alexander Langsdorfが雲室を改良し、現代の拡散室となる。 ドライアイスを使って温度勾配をつけることで、常に過飽和の領域が存在するため、粒子を常に検出することができた |
| 1947年 G.D. Rochester と Clifford Charles Butler は、K中間子の証拠を示す最初の雲室画像を発表 |
雲室から何が置き換えられたか。
クラウドチェンバーは1950年代まで素粒子物理学で使われていた主な検出器でしたが、バブルチェンバーとスパークチェンバーに取って代わられました。 これらはより高感度で実用的な装置であり、粒子の性質をより詳細に、より正確に測定することができる。
参考文献
- Discovering Particles クラウドチャンバーサイト
- Cambridge Physics クラウドチャンバーページ
- How to build a Cloud Chamber at home (CERN)
- Cloud Chamber Activities for Schools (Birmingham University)
Images
Birmingham fish tank cloud chamberの写真を掲載します。
Appendix
なぜ雲水盤で過飽和が起こるのか、少し専門的な数学的説明はこちらをご覧ください。