NA63実験

NA63実験は、強電磁場における放射過程の研究を目的としています。欧州原子核研究機構（CERN）の北エリアに設置されています。固定ターゲット実験で、SPS（超高エネルギー加速器）から放出されるH4二次電子ビームを様々なターゲットに照射します。ターゲットは、比較的軽い炭素やケイ素から、より重い鉄や錫、タングステン、金、鉛まで、様々な元素から構成されており、アモルファスまたは単結晶（例えば ダイヤモンド）です。

この実験はSPS研究プログラムの一環であり、2010年にウルリック・インゲルスレウ・ウガーホイ氏を広報担当としてデータ収集を開始しました。[1]

NA63の実験エリア。

結晶ターゲットにおける臨界磁場

NA63の主要な目的の一つは、三叉の「クライン型」生成を研究することです。この現象は、非常に強い電磁場の中で、運動中の電子が電磁場を貫通し、電子・陽電子対を放出する際に発生します。この現象が発生するには、電磁場がいわゆる臨界電磁場E0 = 1.32*10^16 V/cm-1 [2]よりも大きくなければなりませんが、これは実験室で生成することは不可能です。しかし、結晶ターゲットの場合、[3]貫通粒子は理論上の臨界電磁場に近い電磁場を経験します。実際、単結晶において、電子が結晶学的な方向（軸または面）に対して小さな入射角で結晶に入射すると、その構成要素の電界がコヒーレントに加算され、約10^11 V/cmの全電界が生成され、これが連続的かつ巨視的になります。結晶が非晶質構成から回転すると、電子の静止フレームにおいて、核場は運動方向にコヒーレントに加算され、総場は最終的に目標の10^16 V/cmに達することができる。[2]

このような場において、電子は、その位置の量子力学的不確定性によって決まる距離Δd= ƛ = ħ/mcを輸送された場合、新たな電子-陽電子対の生成に相当するエネルギーを得る可能性がある。したがって、電子静止系における場が臨界状態に達すると、 新たな粒子の顕著な生成が予想され、実際に観測されている[2] 。

このような場は、一般的に、高度に磁化された中性子星、ホーキング放射に近い類似物であるブラックホール（NA63のように電磁場ではなく重力場が強い）、そしておそらくは既知で最高エネルギーの宇宙線を発生させる宇宙加速器などの天体物理現象でのみ観測されます。NA63は、結晶ターゲットとSPSからの高エネルギービーム（約100GeV）を用いた特殊なアプローチを用いて、このような場でのプロセスを実験室で試験することに成功しました。

放出時間

NA63のもう一つの研究分野は、強い電磁場が光子放出過程の持続時間に与える影響です。具体的には、臨界強度の電磁場は、電子が光子を放出するのにかかる時間に興味深い影響を及ぼします。

電場に入る電子は加速されるため、制動放射効果によってエネルギーの一部を光子の形で失う必要があります。制動放射効果とは、荷電粒子が原子を通過する際に減速される際に電磁放射を放出するプロセスです (固体材料内など)。時間の遅れと長さの収縮という相対論的現象を利用して、NA63 の実験では、この光子放出プロセスは瞬間的ではなく、時間がかかることを示しまし た。[4]このプロセスには時間がかかるため、光子生成は実験的に影響を受ける可能性があります。非相対論的粒子の場合、この時間は非常に短いため、調査は排除されないまでも、非常に困難です。しかし、 NA63 で使用された相対論的粒子の場合は、時間の遅れという相対論的効果により、約 50 万分の 1 に時間「が遅くなる」ため、調査が可能になります。

一方、臨界電磁場では、電子は非常に激しく偏向するため、光子を放射する時間が十分にありません。そのため、電磁場を臨界レベル以上に調整することで、電子ビームから発生する放射スペクトルを変化させることができます。つまり、電磁場を増加させると、ビームからの相対的な放射収量は減少します。NA63はこのような効果を調査しており、これまでに示された主要な成果の一つは、通常はシンクロトロン（蓄積）リングにおいて古典的な形でのみ観測されるシンクロトロン放射に対する量子補正[5]の測定です。

放射線反応

放射線反応は電気力学における長年の課題である。簡単に定式化すると、放出された光子が、それを放出した荷電粒子に及ぼす反作用に関するものである。古典理論では、運動方程式の解は、例えばエネルギー保存則や因果律との矛盾といった、不合理な結果をもたらす。量子版、いわゆる量子電気力学（QED）では、必要な手法が既知であるため、この問題は原理的には解決されている。しかし、計算上の困難は深刻であり、比較的単純な問題しか解決されていない。強電場は、この問題を実験的に解決するための手段であることが判明しており、NA63共同研究グループ（のメンバー）は、理論的にも実験的にもその道を切り開いてきた。[6] [7]

効果

強磁場と放出時間の影響は、物理学の他の多くの分野にも関連しており、極めて高勾配の粒子加速に用いられるプラズマ航跡場におけるいわゆる「バブル状態」から、マグネター（強く磁化された中性子星）などの天体、そして強力なレーザーや重イオン衝突まで、多岐にわたります。NA63で研究されている概念は、重力の類似物であるブラックホールからのホーキング放射にも適用されますが、これはまだ検出されていません。最後に、放射反応の問題を実験的に解決するために、電子-レーザー相互作用によってはるかに「クリーン」な環境を実現できるものの、徹底的な調査を可能にするのに十分な強度のレーザーが実現するには、まだ数年、あるいは数十年かかるでしょう。電子-結晶相互作用に関しては、NA63はすでにこの問題を実験的に解決しています。

ウンルー効果はNA63によって探査された高エネルギーチャネリング放射線で初めて観測された可能性がある。[7] [8]

NA63のアクティブなコラボレーションメンバー

  1. クリスチャン・フローア・ニールセン (広報担当): https://orcid.org/0000-0002-8763-780X
  2. ウルリク・ウガーホジ: http://orcid.org/0000-0002-8229-1512
  3. トビアス・ウィスティセン: https://orcid.org/0000-0001-8103-9860
  4. ロバート・ホルツアップル: http://orcid.org/0000-0003-2726-1131
  5. アントニーノ ディ ピアッツァ: https://orcid.org/0000-0003-1018-0458
  6. サイモン・H・コネル: http://orcid.org/0000-0001-6000-7245
  7. イェンス・ボー・ジュストセン: https://orcid.org/0000-0003-2525-6793
  8. アラン・H・ソレンセン。
  9. マッズ・ミデルヘデ・ルンド https://orcid.org/0000-0001-9859-9506
  10. マーク・ブライナー・ソレンセン
  11. ソフィー・ヤストルプ・ラング
  • INSPIRE-HEPにおけるCERN-NA-063実験記録
  • 宇宙線：宇宙からの粒子：https://home.cern/about/physics/cosmic-rays-particles-outer-space
  • 重イオン衝突：https://home.cern/about/physics/heavy-ions-and-quark-gluon-plasma

参考文献

  1. ^ "NA63". CERN. 2015年1月5日. 2018年7月7日閲覧。
  2. ^ abc エスバーグ、J.;キルセボム、Ｋ．クヌーセン、H.トムセン、HD;ウガーホイ、E.ウガーホイ、UI;ソナ、P.マンジャロッティ、A.テネシー州ケテル;ディズダー、A.ダルトン、MM;バレストレロ、S.サウスカロライナ州コネル (2010)。 「強力なフィールドトライデント生産の実験的研究」。物理的レビュー D . 82 (7) 072002。ビブコード:2010PhRvD..82g2002E。土井：10.1103/PhysRevD.82.072002。ISSN  1550-7998。
  3. ^ Uggerhøj, Ulrik I. (2005). 「相対論的粒子と強い結晶場との相互作用」. Reviews of Modern Physics . 77 (4): 1131– 1171. Bibcode :2005RvMP...77.1131U. doi :10.1103/RevModPhys.77.1131. ISSN  0034-6861.
  4. ^ アンデルセン、クリストファー K.;アンデルセン、ソーレン L.エスバーグ、ジェイコブ。クヌーセン、ヘルゲ。ミケルセン、ルーン。ウガーホイ、ウルリク I.ソーナ、ピエトロ。マンジャロッティ、アレッシオ。ケテル、ティアード・J.セルジオ、バレストレーロ (2012)。 「光子の形成長の直接測定」。物理的なレビューレター。108 (7) 071802。ビブコード:2012PhRvL.108g1802A。土井：10.1103/PhysRevLett.108.071802。ISSN  0031-9007。PMID  22401193。
  5. ^ Andersen, KK; Esberg, J.; Knudsen, H.; Thomsen, HD; Uggerhøj, UI; Sona, P.; Mangiarotti, A.; Ketel, TJ; Dizdar, A.; Ballestrero, S. (2012). 「量子状態開始時におけるシンクロトロン放射の実験的研究」. Physical Review D. 86 ( 7) 072001. arXiv : 1206.6577 . Bibcode :2012PhRvD..86g2001A. doi :10.1103/PhysRevD.86.072001. ISSN  1550-7998. S2CID  118488702.
  6. ^ Di Piazza, A.; Wistisen, Tobias N.; Uggerhøj, Ulrik I. (2017). 「整列結晶を用いた古典放射反応の調査」. Physics Letters B. 765 : 1–5 . arXiv : 1503.05717 . Bibcode : 2017PhLB..765....1D. doi :10.1016/j.physletb.2016.10.083. ISSN  0370-2693. S2CID  117037721.
  7. ^ ab Wistisen, Tobias N.; Di Piazza, Antonino; Knudsen, Helge V.; Uggerhøj, Ulrik I. (2018). 「整列結晶における量子放射反応の実験的証拠」Nature Communications . 9 (1): 795. arXiv : 1704.01080 . Bibcode :2018NatCo...9..795W. doi :10.1038/s41467-018-03165-4. ISSN  2041-1723. PMC 5824952 . PMID  29476095.  
  8. ^ Lynch, MH; Cohen, E.; Hadad, Y.; Kaminer, I. (2021). 「加速誘起熱性の実験的観測」. Physical Review D. 104 ( 4) 025015. arXiv : 1903.00043 . Bibcode :2021PhRvD.104b5015L. doi :10.1103/PhysRevD.104.025015. S2CID  214623535.
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