1927年ノーベル物理学賞(2)
受賞理由
霧箱（蒸気の凝縮により荷電粒子の飛跡を観察できるようにする方法）の考案
受賞者
イギリス
解説
冷たい山で白い雲が目の前に現れるのを見たことがあるかな？ウィルソンさんは、この雲ができるしくみを小さな箱の中で再現しました。箱の中の空気と水蒸気を急に冷やすと、通り過ぎた電気を帯びた粒子の道に細い雲の線ができます。私たちはその線を見て粒子がどこを通ったかを知ることができます。こうして目に見えない粒子を「見える化」する装置が霧箱です。
関連キーワード
霧箱
過飽和水蒸気中で荷電粒子の通過経路を水滴列として可視化する検出器。1911年にウィルソンが発明し、写真乳剤以前の主要粒子検出法となった。磁場併用により粒子の運動量解析も可能で、多くの素粒子発見の舞台となった。構造が単純で教育実験に適し、放射線可視化の入門装置として現在も広く使用される。原理はイオン核凝縮と断熱膨張に基づく。
過飽和蒸気
温度と圧力の条件下で、本来なら凝縮するはずの量を超えて気体中に存在する水蒸気状態。霧箱では空気を急激に膨張させて温度を下げ、飽和曲線の左側に一時的に移動させることで生成する。わずかなイオンや塵が核となって瞬時に水滴が成長するため、荷電粒子の飛跡を鮮明に描き出す。過飽和度Sが大きすぎると背景核生成が増え、分解能が低下するため制御が重要。気象学や材料成長技術でも同様の相転移制御が応用される。
イオン化
原子や分子が電子を失ったり得たりして電荷を帯びる過程。荷電粒子が気体を通過すると衝突によりイオン対が生成され、霧箱ではこれが水滴凝縮の核になる。電離量は粒子の電荷・速度や媒質密度に依存し、飛跡の太さや濃さに反映される。イオン化曲線の測定は粒子同定や線量計測の基本手法で、半導体検出器やガスチェンバーでも共通の物理機構である。
宇宙線
宇宙空間から地球に降り注ぐ高エネルギー粒子の総称。20世紀前半、霧箱によってその存在と性質が詳細に調べられ、ミューオンやパイ中間子など新粒子の発見につながった。一次宇宙線は主に陽子で、大気上層で衝突して二次粒子シャワーを生み出す。現代の観測網ではシンチレーターやチェレンコフ望遠鏡が主流だが、霧箱は宇宙線の歴史的研究装置として位置づけられる。宇宙線起源や加速機構の解明は現在も活発な研究分野である。
荷電粒子トラック
荷電粒子が検出媒質内を移動した痕跡。霧箱では水滴列、ガスチェンバーでは電子イオン対、固体検出器では励起原子列として残る。トラック形状から粒子の進行方向、運動量、エネルギー損失が解析でき、磁場をかければ曲率から電荷符号も判定可能。トラック検出は素粒子物理、核医学、宇宙線観測で不可欠な計測技術となっている。近年はシリコンピクセル検出器やタイムピクシング法が発展し、三次元トラック再構成の精度が飛躍的に向上した。