みなさま

『 ダ・ヴィンチ・コード 』で有名な Dan．Brown の前作が
今、話題です。
『 天使と悪魔 』（ ANGELS & DEMONS ）です。
CERN （ 欧州合同原子核研究機関 ）からテロリストによって、
反物質（ antimatter ）が盗まれ、密かにバチカン市国内に
隠されます。

“ FACT ” のところを読むと、エエ――― ッ、と驚くようなことが
書いてあります。（ そりゃないでしょう！ ）
近く映画化をされるそうです。
CERNのHPにも、この小説のことが出ていました。

http://public.web.cern.ch/public/Content/Chapters/Spotlight/SpotlightAandD-en.html

研究所内で、撮影もされるとか。

岩田先生は、CERN に長い間、研究員として行かれていた
と伺っておりますよ。

天満ふさこより

閑話休題

実は、スプリング 8 でこれをやっている人もいるんです。
そうすると、数 GeV というとっても高いエネルギーの光子ができます。
これを標的にぶつけて原子核物理学の研究が行われています。
ILC の 250 GeV の電子とレーザーでこれをやったらどうなるでしょう。

計算してみると、200 GeV というほとんど電子と変わらないくらいの
エネルギーの光子ができることになります。
ILC は超高エネルギー光子ビームもつくれるのです。
技術的にまだ難しいところが残っているので、
原理的には…　ですが。

話を X 線発生にもどしましょう。
先日も言いましたが、この方法の問題は、松井選手といえども、
ホームランを打てる確率はあまり高くないことです。
ですので、十分な量のホームランを打ってもらうためには、

* 何度も何度もバットを振る
* ピーチャーは、できる限り多くの数のボールをど真ん中に
　（このど真ん中は重要）投げ続ける
ということが必要です。

コンプトン散乱に置き換えると
* エネルギーは放射光の1/100程度で良いので、
　多量の電子できるだけ小型の施設で作る
* レーザーの強度をできるだけあげて、小さく絞る（これがど真ん中の意味）
となります。

先日も少し言いましたが、
電子加速は常伝導加速のリニアコライダーのために開発されていた技術ですし、
レーザーと電子のコンプトン散乱も ILC のビーム技術開発として
いろいろなところで研究されています。

先日の説明と重なるところがでてしまいましたが、
2 回聞いて（読んで）いただくと、少しでもわかってもらいやすいかと
思ったのですが、いかがでしょうか。

高橋徹より

天満様

ところで、先日、血管造影に最適な、30 keV 程度の X 線をつくるには、
放射光施設では高エネルギーの電子が要るので、
スプリング 8 や KEK ー PF のような巨大な施設になってしまうのだけれど、
コンプトン散乱を使ったビリヤード方式ならば
はるかに小さいエネルギーの電子でも OK だという話をしました。
今日は、なぜこんな違いがでるのかの説明を試みて見ます。

先日も言いましたが、光は波としての性質と光の粒 ＝ 光子としての、
両方の性質を併せ持っています。
放射光とコンプトン散乱の違いは
まさにこのどちらの側面を利用しているかの違いです。

●まず放射光から：
やはり電子の代わりに、ボールを考えましょう。
真空中の波動が光ですが、これでは想像しにくいので、
真空 ～ 水、光 ～ 水の波、と考えてみます。
（真空中には水の代わりになるものは何もないから、
そんなたとえは、だめって？　いやいや、これこそが
20 世紀の量子力学の成果です。）

ボールが水の中を動くと、それにつれて周りの水も動きます。
動くというのを良くみると、いろいろな振動数（波長）の波が
入り交じっていると考えることができます。
放射光というのはこれを連続的に起こすために、
水面上でボールをぐるぐると回し続けるようなものです。

ところで光のエネルギーを波の言葉でいうと、
エネルギー ＝ 振動数 × プランク常数（これは単に常数と思いましょう）
です。

つまり高いエネルギーの光を出すということは
高い振動数の波をつくることになります。
ボールを水面上で動かして、水面に波を起こす方法では、
高い振動数の波ができにくいのは、想像できますか？

ちょっとまじめに計算すると
（ここからボールと水でなくて放射光の話になります）
放射光のだいたいのエネルギーは、電子のエネルギーの 3 乗に比例して
回転（すなわち加速器の）半径に反比例します。
これに、電子を曲げるには電磁石が要るとか、
放射光を出したことによって、親の電子自体が失ったエネルギー
（これは放射光のエネルギーの 4 乗に比例するのです。）
を補ってやらないと、加速器中を回し続けることができないとか、
実際の技術的なことが絡むと、結果としてスプリング 8 とは
KEK - PF のようなことになってしまいます。

コンプトン散乱の場合は、
ビリヤード方式の電子という粒と光子という粒の衝突ですから、
エネルギーの高い電子をつくっておいて、
それをエネルギーの低い光子（レーザー）にぶつけて、
光子は跳ね返すという、描像です。

電子 ～ バット、光子 ～ 野球のボールと置き換えると、
松井選手がホームランを打つような感じです。
高いエネルギーの光子を作り易いのが想像できてもらえたら、
うれしいです。
電子のエネルギーは松井選手のバットスイングのスピードに相当しますが、
30 keV の X 線をつくるのに、ウルトラマン（スプリング 8 ？　）に
打ってもらう必要はありません。

高橋徹より

高橋先生、ありがとうございます。
ここまでは、理解できました。
ILC の勉強をしたためかも知れません。
続けてください。

岩田先生、知っています！
ロイヤルコペンハーゲン、じゃなかった（笑）
有名な “ コペンハーゲン精神 ”っていうのですよね。
仁科博士が、ニールス・ボーアの研究所から
持ち帰ったのは、研究成果だけでなく、
その先駆的な精神もありました。

去年、つくばエキスポセンターで
「 素粒子の世界を拓く 」という特別展を見ました。

世界最大級というプラネタリウムも魅力でしたが、
この湯川・朝永博士生誕 100 年記念の特別展へも
行きたかったのです。

そこで見た、サイクロトロンの前で写された
仁科博士の写真を思い出しました。
それで、この話題を書いてみたのでした。

追伸：

先月、みすず書房より「 仁科芳雄往復書簡 」全三巻の
発行が始まりました。
1 巻の価格が 15,750 円 とちょっと高価なので
（岩田先生と木原先生著の「 リニアコライダー 」と同じ価格！　）
買っていませんが（苦笑）、
いつか読みたいと思っています。

どちらも、「 往復書簡 」です。
「 物理屋往復書簡 」のほうが、先にデビューしたので
負けられませんね。（笑）
（すでに、レベルもラベルも負けているって……？　）

天満ふさこより　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

みなさま

ところが、今病院にあるX線発生装置では
30 keV の X 線だけを造ることはできません。
いろいろなエネルギーの X 線が、混ざってしまいます。
それに 30 KeV の X 線というのは
X 線としてはかなり高いエネルギーなので、
強度もあまりありません。

ご存じの放射光施設では、電子をリングで曲げることによって
光（放射光）をつくります。
これを使うと、原理的に 30 keV の X 線を取り出せるのですが、
なんとこれができるのは、 KEK の PF とスプリング 8 という、
日本に 2 台の大型施設だけです。

ところが、ビリヤード方式、つまり、クライン仁科の公式で記述される
「 コンプトン散乱 」を使うと、電子のエネルギーは 40 MeV、
つまりスプリング 8 の 200 分の 1 ですみます。
" 電子 "という粒子で、" 光子 " という粒子を直接跳ね返すので、
効率が良いのです。

ここで、リニアコライダーの加速技術が登場します。
今の ILC の前に高エネルギー研で開発されていた、
加速方式（ X バンド加速管といいます）を使うと、
40 MeV の電子ビームというのは、
1 ｍ 程度の加速器でできてしまいます。
これだと病院に 1 台もできそうですよね。

問題は、血管の写真が撮れるほど強い X 線を造るには、
電子に当てるレーザーの強度が、かなり強くなければならないことです。
（放射光の場合、 PF とかスプリング 8 ならば、これはなんとかなります）
この技術が、ちょっと難しい。
（ せっかく加速器が小さくても、レーザー装置が巨大では話になりません。 ）
電子にレーザーをあてて光子をつくるのは
ILC のいろいろなところにも使われます。
そのため、この技術開発は勢力的に行われています。

ILC の技術が,狭心症や心筋梗塞の治療に直接役立つ日がくるのは、
そんなに遠い将来ではないと思っています。

高橋徹より

みなさま

いま、心臓血管造影をどうやっているかご存じでしょうか。

血液は、そのままでは X 線写真に写らないので、
手首などから、カテーテルという管を冠状動脈の入り口まで通して、
その先から造影剤をピュッと入れます。
そうしたら、造影剤をいれたあと数秒間は
X 線写真で血液の流れをみることができます。

今の技術では、心臓の入り口まで通した管から
直接造影剤を入れて、濃い造影剤を流さないと
X 線写真に写らないのです。

手首からカテーテルをいれるのは、結構大変ですよね。
昔は、足の付け根からいれていました。
その方が太い血管を通って心臓までいけるからです。

手首からでも、できるようになったのですが、
それでも、" カテーテル治療 " というのは手術に準ずる施術です。
心電図などで、他になにか兆候が現れてかでないと行わないし、
" インフォームドコンセント " が重要視されている現状では、
心筋梗塞などでヒーヒー行っている患者に
カテーテルの危険性とか何とかを説明して、
承諾書にサインさせるんです。

ちょっと話がそれましたが、
さっき言った血管造影に最適な 30 keV の X 線を使うと
感度をとても上げることができて、
造影剤を静脈注射でいれれば、済むようになります。
これは、大げさでなく「天の助け」です。

高橋徹より

みなさま

クライン仁科の公式は、過去の遺物ではありません。
この電子と光子の散乱は、 ILC に深く関わっています。
それだけではありません。
心臓血管造影の新しい方法として
勢力的に開発が進められています。

数年前に、私の研究室の修士課程の学生さんには
この公式を使った計算で、修士論文を書いてもらいました。

前回、止まっている赤玉（ 電子 ）に白玉（ 光子 ）を
ぶつけると跳ね返る、というような話をしました。
今度は逆に、早く動いている赤玉を
ゆっくり動いている白玉にぶつけてみます。
（ 光子は常に光速で動くので、　この言い方は本当はおかしいのですが、
ゆっくり動く白玉をエネルギーの低い光 〈 光子 〉と考えてください。 ）

赤玉が、とても早いスピードで白玉にぶつかると、
白玉は、とても勢いよく跳ね返されます。
つまり、早い白玉 ～ エネルギーの高い光子を
つくることができました。

これが、最近とても注目を集めています。
実際には、加速器中の電子ビームにレーザー光をあてるのです。
この方法で X 線を造ると、血管造影に最適なエネルギー
（30 keV ）の X 線をつくることもできます。

高橋徹より

岩田様、天満様

岩田さんのメールを読んで、私も学生時代を思い出しました。
私と岩田さんは、大学ではちょうど入れ違いでした。
私が 4 年生として研究室に入った 4 月に
岩田さんは KEK に移られたのでした。

あの研究室に入ると、まず荷電粒子や光子の
検出器中での反応について、徹底的に仕込まれます。
岩田さんが苦労されたくらいですから、
光子の反応を初めて勉強する学生にとって
“ コンプトン散乱 ” は大敵です。

4 年生は勉強した結果を
先輩の大学院生や研究室のスタッフの前で発表するのですが
まともにできるはずはありません。
その場で徹底的にしごかれます。

“ コンプトン散乱 ” と、検出器のことを考えると
今でも、当時のことが思い出されて
RK 先生の大きな声が、頭の中に鳴り響きます。

そこに岩田さんまでいたら、いったいどうなっていたのでしょう。
想像するだけで…… （ その後は想像におまかせします。 ）

高橋徹より

みなさま

明けましておめでとうございます。
今年もよろしくお願いいたします。

クライン・仁科公式の説明を高橋さんが始めてくれたばかりですが、
本格化する前にちょっとわき道にそれていいですか？

中野 ー 西島 ー ゲルマン法則などで著名な西島和彦先生が、
2005 年 12 月の仁科財団創立 50 周年記念講演会で、
「 仁科芳雄と日本における素粒子物理学の原点 」
というお話をされました。
最近、そのときの記録（ 出版物 No. 44 ）を読む機会がありました。
（ ただ、この講演は、一般向けとは言えないレベルなのが
　残念です。 ）

そこには、仁科は例の公式を導いたことで、
「 理論家としてデビューして、いきなり当時の理論の最先端に
躍り出たことになる 」とあります。
なんでも、量子力学と相対論とを初めて融合させたことで有名な
“ ディラック方程式 ” が発表されたのが 1928 年（ 昭和 3 年 ） 1 月、
それを電子による光子の散乱という基本的なプロセスに応用し、
例の「 公式 」を発表したのが、同じ年の 10 月だったそうです。

量子電磁力学が出来上がっていなかった時期の成果でした。
実験研究に加えてこの理論上の貢献、
そして帰国後の（ 困難な時期の ）研究体制構築など、
仁科先生の仕事は、私たちが聞きかじっていた以上に
大きかったんですね。

電子も光子も身近にふんだんにある素粒子ですから、コンプトン散乱
と呼ばれるその現象は、色々な面で利用されています。
最新のものは高橋さんが紹介してくれるでしょう。
古い世代の僕には、どちらかと言うと、この散乱は迷惑なものでした。

大学での学生実験には、たいていガンマ線（ 高いエネルギーの光子 ）
検出というテーマがありました。
今でも多いと思います。

検出器という物質は、一般に電子のような電気を帯びた粒子を検出し、
そのエネルギーを測ることができます。
もし、ガンマ線が物質中で全部のエネルギーを使って
原子から電子を叩きだす反応（ 光電子効果 ）だけを起すなら、
検出器の信号はもとのガンマ線のエネルギーに
相当した大きさに揃います。

しかし電子を相手にガンマ線が散乱するコンプトン散乱が起きると、
電子が受け取るエネルギーは広く分布して、
検出器信号の大きさも広がってしまいます。
現実には両方が混在します。
親のガンマ線エネルギーを測るという目的からみれば、
憎らしい存在でした。

自然現象に愚痴を言っているわけではありません。
思い出です。

岩田正義より

みなさま

新年あけまして、おめでとうございます。
今年も楽しいやりとができるとよいですね。

さて、新年早々の話題としてはカタイかもしれませんが、
宿題となっていた、クライン・仁科の公式です。
式自体を説明しても仕方がないですよね。

これは、電子と光の粒である （ 光子 ） の衝突の大きさ （ 確率 ） を
計算する式です。
電子に光が当たると、電子がはじきとばされるという現象は
「 コンプトン散乱 」と呼ばれますが、
光が粒子の性質を持っていることの証拠として非常に有名です。

まず、ここからやってみましょう。
光が、電磁波という波としてだけ振る舞うとします。
光の代わりに水面上の波、
電子の代わりに水面に浮いているボールを考えてください。

波がやってきてボールにあたると、
ボールは、波の振動で「 その場で 」上下しますが、
決して波と一緒に移動することはありません。
つまり、光が電磁波という波だけの性質をもっているのならば、
光が電子に当たっても、その場でちょっと振動するだけのはずです。
（ じゃ、サーフィンはどうなっているのかって？
これは難しいのでまた別の機会に。 ）

今度は、ビリヤードを考えてみましょう。
電子の代わりに赤玉、今度は光は粒なので
白玉を考えてみます。
止まっている赤玉に白玉を当てると、赤玉は動きますね。
つまり、電子は、光によってはじきとばされます。
白玉と赤玉の当たる角度やスピードで
跳ね返る方向やスピードも違います。

電子と光の衝突で、実際に起こっているのは、
このビリヤード現象と波の現象の両方が
入り交じった複雑なものです。

“ クライン仁科の公式 ” は、この現象を記述する （ もちろん光と電子で ）
公式です。

ところで、ビリヤードのテクニックで、
「 押し 」とか「 引き 」とか「 ひねり 」というのが
あるのをご存じですか。
当てる球にいろいろな回転を与えると、
当たる角度やスピードが同じでも、跳ね返り方が違うので、
それを利用して、高得点をねらうのです。

玉の回転　→　粒子のスピンが思いつけば、
天満さんも、相当な素粒子かぶれですね。
実際のコンプトン散乱にも、スピンが大きく影響します。

今日はこの辺にしましょうか。

高橋徹より