ブルーノ・ロッシ
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ブルーノ・ロッシ
生まれる
ブルーノ・ベネデット・ロッシ
（1905年4月13日）1905年4月13日
ヴェネツィア、イタリア
死亡1993年11月21日（1993年11月21日）（88歳）
マサチューセッツ州ケンブリッジ、米国
休憩所サン・ミニアート・アル・モンテ墓地、フィレンツェ
市民権イタリア系アメリカ人（1943年以降）
母校ボローニャ大学
配偶者
ノラ・ロンブローゾ
​
（ 1938年生まれ） 
子供たち3
受賞歴エリオット・クレソン賞（1974年）アメリカ国家科学賞（1983年）ウルフ物理学賞（1987年）マテウチ賞（1991年）
科学者としてのキャリア
機関フィレンツェ大学、パドヴァ大学、マンチェスター大学、シカゴ大学、コーネル大学、マサチューセッツ工科大学、パレルモ大学
博士課程の指導教員キリノ・マヨラナ
博士課程の学生ジュゼッペ・オッキアリーニ、ケネス・グレイゼン、マシュー・サンズ、バーナード・グレゴリー、ジョージ・W・クラーク、ヤシュ・パル、ハーバート・S・ブリッジ
サイン

ブルーノ・ベネデット・ロッシ（/ ˈ r ɒ s i / ROSS -ee、イタリア語: [ˈbruːno beneˈdetto ˈrossi]、1905年4月13日 - 1993年11月21日）は、イタリア系アメリカ人の実験物理学者であった。彼は素粒子物理学と宇宙線の研究に大きく貢献した。1927年にボローニャ大学を卒業した彼は、宇宙線に興味を持つようになった。宇宙線を研究するために、彼は改良された電子同時計数回路を発明し、エリトリアに渡って実験を行い、西からの宇宙線の強度が東からの宇宙線の強度よりも大幅に大きいことを明らかにした。

1938年10月、イタリアの人種法により国外追放を余儀なくされたロッシはデンマークに移住し、ニールス・ボーアと共に研究を行った。その後イギリスに移り、マンチェスター大学でパトリック・ブラケットと共に研究を行った。最終的にアメリカに渡り、シカゴ大学、そして後にコーネル大学でエンリコ・フェルミと共に研究を行った。ロッシはアメリカに留まり、アメリカ市民権を取得した。

第二次世界大戦中、ロッシはMIT放射線研究所でレーダーの研究に従事し、マンハッタン計画においても中心的な役割を果たし、ロスアラモス研究所でRaLa実験を実施したグループを率いた。戦後、彼はMITのジェロルド・ザカリアスに招聘され、そこで戦前の宇宙線研究を継続した。

1960年代、彼はX線天文学と宇宙プラズマ物理学の先駆者でした。エクスプローラー10号に搭載された彼の観測機器は磁気圏界面を検出し、太陽系外初のX線源であるスコーピウスX-1を発見するロケット実験を開始しました。

イタリア

ロッシはイタリアのヴェネツィアでユダヤ人一家に生まれた。彼はリノ・ロッシとリナ・ミネルビの3人息子の長男であった。彼の父はヴェネツィアの電化に携わった電気技師であった。ロッシは14歳まで家庭教師をつけられ、その後ヴェネツィアのジンナジオ高校とリセオ高校に通った。[ 1 ]パドヴァ大学で大学生活を始めた後、彼はボローニャ大学で上級研究を行い、1927年に物理学の学位を取得した。 [ 2 ]彼の論文指導教官はキリノ・マヨラナであった。[ 3 ]彼は著名な実験家で、物理学者エットーレ・マヨラナの叔父であった。[ 4 ]

フィレンツェ

1928年、ロッシはフィレンツェ大学で、 1920年に大学の物理学研究所を設立したアントニオ・ガルバッソの助手としてキャリアを始めた。 [ 5 ]研究所は街を見下ろす丘の上のアルチェトリにあった。ロッシが着任した時、ガルバッソはイタリアのベニート・ムッソリーニのファシスト政権によってフィレンツェのポデスタに任命されていた。 [ 6 ]しかし、彼は研究所に一群の優秀な物理学者を連れてきた。その中にはローマに移る前のエンリコ・フェルミとフランコ・ラゼッティ、ジルベルト・ベルナルディーニ、エンリコ・ペルシコ、ジュリオ・ラカが含まれていた。[ 5 ] 1929年、ロッシの最初の大学院生であるジュゼッペ・オッキアリーニが博士号を授与された。[ 1 ]

先駆的な研究を求めて、ロッシは1911年と1912年にヴィクター・ヘスが有人気球飛行で発見した宇宙線に注目した。1929年にロッシは、金の厚さ4.1センチメートル（1.6インチ）を貫通する荷電宇宙線粒子の発見について記述したヴァルター・ボーテとヴェルナー・コルヘルスターの論文を読んだ。 [ 7 ]これは驚くべきことだった。当時知られていた最も貫通力の高い荷電粒子は放射性崩壊で生じる電子であり、金の厚さは1ミリメートルにも満たなかったからである。ロッシの言葉によれば、それは

それはまるで閃光のように現れ、誰もまだ探検を始めていない、謎に満ちた、思いもよらぬ世界の存在を明らかにした。すぐに、その探検に参加したいという強い思いが私の中に芽生えた。[ 8 ]

ロッシ・コインシデンス・サーキット

1954年、ボーテは1924年以前に実現した同時発生事象の評価法に対して「コインシデンス法とそれによる諸発見」によりノーベル物理学賞を受賞した。しかし、この方法の実現は非常に煩雑で、撮影したパルスの視覚的な相関を必要とした。コルヘルスターと論文を読み合わせた数週間後、ロッシは三極真空管を利用した改良型電子コインシデンス回路を発明した。[ 9 ]ロッシのコインシデンス回路には2つの大きな利点がある。非常に正確な時間分解能を持ち、任意の数のパルス源間でコインシデンスを検出できることだ。これらの特徴により、複数のカウンタで同時発生パルスを生成する興味深い事象を特定することが可能になる。これらのまれな事象は、個々のカウンタで無関係な背景パルスが高率で存在する場合でも、際立って見える。この回路は原子核物理学や素粒子物理学における電子計測の基礎となっただけでなく、現代の電子機器で広く使われているデジタルロジックの基本要素である最初の電子AND回路を実装しました。[ 1 ] [ 10 ]

当時、ハンス・ガイガーが1908年に発明したオリジナルのガイガーカウンタの改良版である管状バージョンが、弟子のヴァルター・ミュラーによって開発されたばかりだった。これらのガイガー・ミュラー管（GM管またはカウンタ）によって、ボーテの研究が可能になった。GM管の製作におけるオッキアリーニの協力と実用的な同時計数回路の力を借りて、ロッシはボーテの研究結果を確認し、拡張した。ボーテはロッシを1930年の夏にベルリンに招いた。ベルリンでは、ガルバッソが手配した資金援助を受けて、ロッシは宇宙線の浸透に関するさらなる研究に協力した。彼はまた、地球の磁場内での荷電粒子の軌道に関するカール・シュテルマーの数学的記述も研究した。[ 11 ]これらの研究に基づいて、彼は東方向から来る宇宙線の強度が西方向から来る宇宙線の強度と異なる可能性があることを認識した。ベルリンから、彼はこの東西効果の観測によって宇宙線が荷電粒子であることを確認できるだけでなく、その荷電の符号も決定できることを示唆する最初の論文を提出した。[ 12 ]

ローマ会議

1931年のローマ原子核物理学会議で、ロッシはロバート・ミリカンとアーサー・コンプトンと会った。

1931年秋、フェルミとオルソ・マリオ・コルビーノはローマで原子核物理学に関する国際会議を開催しました。この会議はイタリア王立アカデミーの後援を受けていました。フェルミはロッシを宇宙線に関する入門講演に招きました。聴衆の中には、ロバート・ミリカンとアーサー・コンプトンがおり、二人とも1923年と1927年にノーベル物理学賞を受賞していました。[ 1 ] 1920年代、油滴実験で知られるミリカンは、ヘスが発見した謎の放射線について広範囲にわたる測定を行いました。彼は「宇宙線」という名称を考案し、宇宙線は星間空間における水素の核融合によって生成された光子であると提唱しました。しかし、観測された宇宙線のほとんどが高エネルギーの荷電粒子であるという証拠が提示されたことに、彼は不満を抱きました。後にロッシはこう記しています。

ミリカンは、自分の愛する理論が単なる若者によって粉々に打ち砕かれたことに明らかに憤慨し、その瞬間から私の存在を認めようとしなくなった。（今にして思えば、もっと気を利かせた説明をすべきだったと言わざるを得ない。）[ 13 ]

コンプトン効果で有名なコンプトンはより肯定的な反応を示し、後にロッシに、この講演が宇宙線に関する自身の研究を始めるきっかけになったと語った。[ 13 ]

ロッシカーブ

ローマ会議の直後、ロッシは宇宙線に関する理解を大きく前進させる2つの実験を行った。どちらも3台のガイガーカウンターからのパルスを3回同時計測する実験であったが、最初の実験ではカウンターが一列に配置され、鉛のブロックで隔てられていた。一方、2番目の実験では、3台のガイガーカウンターを三角形に配置し、直線的に移動する単一の粒子が3台すべてを横切ることができないようにした。最初の実験の結果は、1メートル（3フィート3インチ）の鉛を貫通できる宇宙線粒子の存在を実証した。[ 14 ]

鉛の箱に封入された2番目の構成では、一部の宇宙線が鉛中で相互作用して複数の二次粒子を生成することが示されました。2番目の実験の拡張として、彼は計数管上の鉛の量の関数として三重同時発生率を測定しました。この発生率と厚さの関係を示すプロットは、後にロッシ曲線として知られるようになりましたが、鉛層が厚くなるにつれて急激に上昇し、その後緩やかに減少することを示しました。[ 15 ]これらの実験により、地上レベルの宇宙線は2つの成分、すなわち複数の粒子事象を大量に生成できる「ソフト」成分と、厚い鉛層を貫通できる「ハード」成分で構成されていることが示されました。当時、これらの2つの成分の物理的性質は謎に包まれていました。なぜなら、それらはまだ核物理学と素粒子物理学に関する知識の蓄積に当てはまらなかったからです。[ 1 ] [ 16 ]

1931年後半、ロッシはオッキアリーニがベルリンで知り合ったパトリック・ブラケットとともにケンブリッジ大学のキャベンディッシュ研究所で研究できるよう手配した。 [ 17 ]オッキアリーニは、電子同時計数法という新技術の助けを借りて、ブラケットが世界初のカウンター制御霧箱を開発するのを手伝い、カール・アンダーソンの陽電子の発見を確認し[ 18 ] 、正電子が負電子と対生成によって生成されることを推論した。[ 19 ]いくつかの事象では最大23個の正電子と負電子が観測され、それは明らかにロッシのソフトコンポーネントのシャワーに関連していた。[ 20 ]

パドヴァ

ロッシの宇宙線望遠鏡

1932年、ロッシはイタリアの大学の教授職をめぐる競争に勝利し、パドヴァ大学の実験物理学教授に任命されました。着任後まもなく、学長からパドヴァの新設物理学研究所の設計と建設の監督を依頼されました。この任務は研究と教育の妨げとなりましたが、ロッシは喜んで引き受け、研究所は1937年に開所しました。[ 21 ]

東西効果

このような妨害にもかかわらず、ロッシは1933年に、アルチェトリを去る前に開始していた東西効果に関する実験を完了することができた。この効果は赤道付近でより顕著になるため、彼は当時紅海沿岸の北緯15度に位置するイタリア領エリトリアのアスマラへの遠征隊を組織した。 [ 22 ]セルジオ・デ・ベネデッティ[ 23 ]と共に、彼は「宇宙線望遠鏡」を設置した。これは2つの独立したGMカウンターを同時刻に配置したもので、その最大感度軸をどの方向にも向けることができた。間もなく、西からの宇宙線強度が東からのそれよりも著しく大きいことが明らかになった。これは、負の一次粒子よりも正の一次粒子の流入量が多いことを意味していた。当時、ほとんどの研究者が一次粒子は負の電子であるという先入観を持っていたため、この結果は驚くべきものであった。[ 1 ]

ロッシはエリトリアを出発した直後、同様の東西効果に関する2つの観測結果の知らせを受け取った。これらはフィジカル・レビュー誌に掲載された。1つはトーマス・H・ジョンソンによるもので[ 24 ]、もう1つはコンプトンとその弟子ルイス・アルバレスによるもので、メキシコシティ（北緯19度）での観測結果を報告した。 [ 25 ] 1930年に彼が提唱した重要なアイデアは、既に他の研究者によって実験的に初めて利用されていたため、ロッシは落胆したが、パドヴァに戻るとすぐに結果を発表した。[ 26 ]その後、フレデリック・C・クローミーと共に、アルバレスとロッシは宇宙線望遠鏡を用いた「鉛直測定装置」の特許を取得した。[ 27 ]

エリトリアでロッシは、戦後の宇宙線研究の主要テーマとなるもう一つの現象、すなわち広域宇宙線空気シャワーを発見した。この発見は、検出器のガイガーカウンター間の偶発的な同時発生率を測定する実験中に起こった。いかなる粒子もカウンターを作動させないようにするため、カウンターを水平面内に分散配置した。この配置では、同時発生頻度は、個々の発生率と同時発生回路の分解時間に基づいて計算される値よりも高かった。ロッシは次のように結論付けた。

... 時折、記録装置に非常に広範囲の粒子が降り注ぎ、互いに離れた場所に設置された計数器間でも一致が起こります。[ 1 ]

1937年、ロッシはパレルモ大学生理学教授ウーゴ・ロンブローゾとシルヴィア・フォルティの娘、ノラ・ロンブローゾと知り合った。彼女の祖父は著名な医師であり犯罪学者のチェーザレ・ロンブローゾであり、叔母のジーナ・ロンブローゾとパオラ・ロンブローゾ・カラーラは著名なイタリアの作家であり教育者であった。1938年4月、ブルーノとノラは結婚し、パドヴァに家庭を構えた。[ 1 ] [ 28 ]

ロッシは政治活動を避けていたが、彼の仲間の中にはファシスト国家に積極的に反対する者もいた。例えば、彼はパドヴァで学位を取得しながら共産党員となったエウジェニオ・クリエルを指導した。クリエルはその後、1943年にミラノのレジスタンス運動に参加したが、1945年にドイツの傀儡国家であるサロ共和国の兵士によって暗殺された。同様に、 1938年にロッシの下でラウレア（名誉学位）を授与されたエットーレ・パンチーニは、戦時中は宇宙線研究とパドヴァおよびヴェネツィアのイタリア抵抗運動への積極的な参加を交互に行っていた。[ 29 ]

これらの関係と、ロッシ夫妻がユダヤ人であったことから、ナチス・ドイツの影響下でイタリアにおける反ユダヤ主義が強まるにつれ、二人は不安を抱くようになった。最終的に、人種宣言に基づく反ユダヤ法の制定により、ロッシは教授職を解任された。[ 30 ]ロッシは次のように述べている。

結局、1938年9月に私は自分がもはや祖国の国民ではないことを知り、イタリアにおける教師および科学者としての活動は終わったことを知りました。[ 31 ]

亡命

この挫折をきっかけに、[ 32 ]ロッシはキャリアの重要な段階に入った。彼はこの時期を回想録「『メソトロン』の崩壊（1939-1943年）：無垢の時代の実験的素粒子物理学」にまとめ、1980年にフェルミ国立加速器研究所でのシンポジウムで発表した。 [ 33 ] 1938年10月12日、ロッシ夫妻はデンマークの物理学者ニールス・ボーアから研究の招聘を受けていたコペンハーゲンに向けて出発した。夫妻はイタリアに戻るつもりはなく、ボーアは著名な物理学者が出席する会議を後援することで、ロッシがより安定した職を見つけられるよう尽力した。ボーアは物理学者の誰かがロッシに仕事を紹介してくれることを期待し、間もなくロッシはマンチェスター大学からの招待を受けた。そこではブラケットが宇宙線研究の主要なセンターを開発していた。デンマークで楽しい2か月を過ごした後、ロッシとノラはマンチェスターに到着した。[ 34 ]

マンチェスター

ロッシのマンチェスター滞在は短かったが、実りある成果をあげた。この頃には、ソフトコンポーネントに関する明確な理解が得られていた。1934年、ハンス・ベーテとヴァルター・ハイトラーは、高エネルギー光子による電子・陽電子対の生成だけでなく、高エネルギー電子と陽電子による光子の生成についても定量的な記述を発表した [ 35 ]。[ 36 ]マンチェスターでは、ロッシはルートヴィヒ・ヤノッシと共同で、当時まだ完全には確認されていなかった第二過程のベーテ・ハイトラー理論の正しさを実証する実験を行った。[ 37 ]この実験では、反同時計数法も導入され、これは現在では高エネルギー粒子の検出・分析装置に広く採用されている。[ 1 ]

この頃には、霧箱観測によって硬質成分の性質が明らかになっていた。1936年、アンダーソンと弟子のセス・ネッダーマイヤーは、電子と陽子の中間の質量を持つ宇宙線粒子を発見した。[ 38 ]アンダーソンはこれを「メソトロン」と呼んだ。メソトロンは後に「μ中間子」として知られるようになり、[ 39 ]さらに「ミューオン」と短縮された。[ 1 ]コペンハーゲン会議の直前、ブラケットは、観測された宇宙線強度と大気温度の変動は、メソトロンが不安定であることを示す可能性があると示唆し、[ 40 ]この件についてロッシと激しい議論を交わした。その結果、ロッシはメソトロンの崩壊を確認し、その寿命を測定する決意でマンチェスターを去った。[ 33 ]

シカゴ

ヨーロッパに戦争の影が迫る中、ブラケットらはロッシにイギリスを離れるよう助言した。そこでロッシはコンプトンに手紙を書き、シカゴで開催される夏のシンポジウムに招待され、仕事が見つかるかもしれないと示唆した。1939年6月、ロッシ夫妻はニューヨークに向けて出航し、そこでフェルミ夫妻と妻ローラに迎えられた。フェルミ夫妻も人種法のためにイタリアを去っていた。フェルミ夫妻と束の間の再会を果たした後、ロッシ夫妻はベーテからシカゴへの車に乗せてもらうよう申し出られた。彼らは感謝してこれを承諾し、1939年6月中旬にシカゴ大学に到着した。 [ 41 ]

中トロン崩壊

1939年にロッシ、ヒルベリー、ホッグがメソトロンの不安定性を示すために使用した装置の図。炭素吸収体は取り外し可能であり、網掛け部分は鉛吸収体であることに注意してください。

メソトロン不安定性に関するシンポジウムでより決定的な観測が必要だという合意に達した直後、ロッシとコンプトンは実験の計画を開始した。高度とともに硬質成分の強度が増加するのに対し、空気の密度は減少するため、コンプトンはコロラド州のブルースカイ山で調査を実施すべきだと提案した。同山は彼が1930年代初頭に研究していた場所で、北米で最も標高の高い舗装道路であるブルースカイ山シーニックバイウェイを通って標高4,310メートル (14,140フィート) にある研究施設にアクセスできる。コンプトンはロッシに、雪で道路が塞がれる前にその夏に一連の実験を開始するよう促し、友人のノーマン・ヒルベリーとJ・バートン・ホーグ[ 42 ] [ 43 ]、そして学生のウィンストン・ボスティックに協力を求めた。ロッシと助手たちは急いで機材を組み立て、コンプトンが動物学部から借りた老朽化したバスに積み込んだ。[ 33 ]

この時までに、メソトロンがエネルギーを失う主な過程はイオン化エネルギー損失であることが知られており、これはベーテの式で記述され、通過する物質層の単位面積あたりの質量に比例する。これが唯一の過程であれば、固体物質層を通過する硬い成分の強度は、同等の空気層内と同じ量だけ減少するはずである。ロッシと彼の協力者は、この減少は対応する固体炭素層内よりも大気中の方がはるかに大きいことを発見した。空気中の移動距離は炭素中よりもずっと長いため、彼らはこの結果をメソトロンの崩壊の証拠と解釈し、相対論的な時間の遅れの効果を考慮して、静止時の平均寿命をおよそ2マイクロ秒と推定した。[ 44 ]

翌年夏、ロッシはエバンス山に戻り、標高3,230メートル（10,600フィート）のエコー湖の近くで実験を行った。反コインシデンス技術を使用することで、この装置は、平均運動量の異なる2群のメソトロンの崩壊前の平均自由行程を測定することを可能にした。デイビッド・B・ホールと共同で発表されたこの結果は、相対性理論に基づいて予想される粒子の運動量と崩壊前のメソトロンの平均自由行程との比例関係を裏付けただけでなく、静止時の寿命の推定値も改善され、(2.4±0.3)マイクロ秒となった。[ 45 ]これらの結果と前年の結果は、メソトロンが不安定であることを明確に示した最初の結果であるだけでなく、相対性理論によって予測された動く時計の時間の遅れを実験的に初めて確認したものでもあった。[ 1 ]

コーネル

シカゴではロッシの研究助手としての地位は永続的なものではなく、コンプトンは彼にもっと良い職を確保できなかった。そのため、彼は職探しを始め、その間にコーネル大学でセミナーを行った。偶然にも、同大学の物理学科に死去による欠員が生じていた。ベーテがロッシをそのポストに招聘することを提案したことで、彼はコーネル大学の准教授に任命された。1940年の秋、コロラドからシカゴに戻った後、ロッシ夫妻はイサカへと旅立った。[ 46 ]

コーネル大学でロッシは最初のアメリカ人大学院生、ケネス・グライゼンと出会い、共に「宇宙線理論」と題する論文を執筆した。この論文は『現代物理学評論』 [ 47 ]に掲載され、宇宙線研究者の間で「聖書」として知られるようになった。[ 48 ] 1941年の夏、グライゼンとデンバー、ボルダーの物理学者たちはロッシに同行してマウント・エバンスを訪れ、そこで中間子の運動量と崩壊前の寿命の比例関係に関する知識を洗練させた。[ 49 ]グライゼンとロッシはまた、「聖書」に記された過程に基づいて、ソフト成分の粒子のすべてがハード成分の中間子によって生成されるわけではないことを示す実験を行った。彼らはこれを一次電子または光子の証拠と解釈したが[ 50 ] 、後にソフト成分の過剰は中性パイ中間子の崩壊によって生じることが明らかになった。[ 1 ]

1941年のコロラド遠征の後、ロッシはメソトロンの崩壊の是非という疑問に答えが出たと判断した。しかし、寿命の決定精度には満足していなかった。既存の推定値はメソトロンの質量に依存していたが、その質量は正確には分かっていなかったからである。より直接的な測定を行うため、ロッシはメソトロンが吸収体に到達して停止してから、メソトロンが崩壊して電子を放出するまでの時間間隔を測定する装置を設計した。この実験の支援として、大学院生のノリス・ネレソンの協力を得た。彼らの実験の核心は「クロノメーター」であった。これは、時間間隔に正確に比例するパルスを生成する電子回路で、オシロスコープの波形を撮影することで記録することができた。[ 51 ]

これは最初の時間振幅変換器であり、ロッシが実験物理学の電子技術にもたらしたもう一つの貢献であった。鉛と真鍮の吸収体を用いて、崩壊回数を時間に対してプロットした。これらの崩壊曲線は通常の放射性物質と同じ指数関数的な形を示し、平均寿命は2.3±0.2マイクロ秒であった[ 52 ]。これは後に2.15±0.07マイクロ秒に修正された[ 53 ] 。戦後、ロッシはイタリア人の同僚であるマルチェロ・コンヴェルシとオレステ・ピッチオーニが彼と非常によく似た実験を行い、彼の結果と一致する寿命を測定したことを発見した[ 54 ] 。 [ 55 ]

ロッシは「無垢の時代」と呼んだ時代を振り返り、次のように書いている。

素粒子物理学の基本的な問題に関係する結果が、わずか数千ドルの費用と1、2人の大学院生の協力のみを必要とする、ほとんど子供のように単純な実験によって達成されることがどのように可能でしょうか？[ 33 ]

ロスアラモス

アレンとロッシの米国特許2485469の円筒形高速電離箱の図面

メソトロンの研究を終えると、ロッシは戦争への貢献に目を向けた。1942年、イサカからマサチューセッツ州ケンブリッジへ通勤していた彼は、マサチューセッツ工科大学放射線研究所でレーダー開発のコンサルタントとなった。ここで彼はグライゼンと共に「距離追跡回路」を発明し、これは戦後に特許を取得した。[ 56 ]

1943年7月初旬、ベーテはロッシをマンハッタン計画に招き入れた。1ヶ月以内に、彼はロスアラモス研究所に赴任した。数週間後、ノラと3歳の娘フローレンスは、ニューメキシコ州ロスアラモスでロッシと合流した。研究所所長のロバート・オッペンハイマーは、ロッシに原子爆弾の製造に必要な診断機器を開発するグループを結成するよう依頼した。[ 57 ]彼はすぐに、スイスの物理学者ハンス・H・シュタウブが率いる、同様の使命を持つグループが既に存在していることに気づいた。二人は、それぞれの研究成果を一つの「検出器グループ」に統合することを決定した。彼らは約20人の若い研究者の支援を受けていた。[ 58 ]その中には、後にロッシの指導の下で博士号を取得した「電子の魔術師」マシュー・サンズや、シュタウブがスタンフォード大学から連れてきた粒子検出器の専門家、デビッド・B・ニコデムスもいた。 [ 59 ]

高速電離箱

爆弾開発には、検出器内で放出されるエネルギーに比例し、放射線強度の急激な変化に追従する大型の電離放射線検出器が必要でした。放射能に関する初期の研究から、放射線は電離の程度で測定されていましたが、既存の電離箱は変化への応答が遅かったです。この問題に対処するため、ロッシとスタウブは、電離箱内で個々の荷電粒子がイオンを生成する際に生じるパルスを綿密に分析しました。[ 60 ]彼らは、電離した原子から除去された自由電子の移動度が高いため、単一粒子によって生成されるパルスは非常に短くなる可能性があることに気づきました。ロッシはジェームズ・S・アレンと共に、電子移動度が高く電子付着量が少ないガス混合物を発見しました。[ 61 ]これらの研究に基づき、アレンとロッシは「高速電離箱」を発明し、戦後に特許を取得しました。[ 62 ]これはマンハッタン計画の成功に決定的な要因となり、戦後の素粒子物理学の研究で広く使用されるようになりました。[ 58 ]

RaLa実験

1947年5月13日、バヨ・キャニオンで行われたRaLaショット78の実験装置。各長方形の箱には、特許図面と同様の円筒形電離箱が8つ収納されている。

1944年4月、マンハッタン計画は危機に陥った。エミリオ・セグレ率いる研究グループが、原子炉で生成されたプルトニウムは「シンマン」のような銃型プルトニウム兵器には使えないことを発見したのだ。これを受け、オッペンハイマーは研究所を全面的に再編し、爆縮型兵器の開発に注力した。[ 63 ]

ロッシは、様々な兵器設計をテストし、正確に対称的な球状爆縮を生み出す方法を見つけるために採用された。[ 64 ]このテストでは、金属球が爆縮圧縮を受ける際のガンマ線吸収の変化を測定した。 [ 65 ]ガンマ線は、球の中心に配置された短寿命放射性同位元素ランタン140のペレットから放出された。RaLa実験という用語は、 Ra dioactive La nthanumの短縮形である。圧縮が進むにつれて、吸収の急激な増加が、アセンブリの外側で記録されたガンマ線強度の減少として検出された。[ 66 ]

RaLa実験は、爆縮成功への道筋に多くの落とし穴があることを明らかにした。[ 65 ]初期の爆縮設計を悩ませた問題のあるジェットを理解するためには、他の試験方法が必要であったが、RaLa実験は爆縮レンズの設計において主要な役割を果たした。ロスアラモス計画の歴史の中で、デイビッド・ホーキンスは次のように記している。「RaLa実験は、最終的な爆弾設計に影響を与えた最も重要な実験となった」[ 67 ]

トリニティ診断

ブルーノとノラ ロッシのロス アラモス バッジ

1945年7月16日、ニューメキシコ州アラモゴード近郊のトリニティ・サイトで、爆縮型プルトニウム爆弾が爆発した。この装置のコードネームは「ガジェット」で、その設計は24日後に長崎に投下されたファットマン核兵器と非常によく似ていた。 [ 68 ]

トリニティ実験の準備として、ロッシは連鎖反応中のガンマ線を記録するための計測機器を設計した。連鎖反応の持続時間は約10ナノ秒と予想されていた。この時間スケールでの観測は1945年当時の最先端技術をほぼ超えていたが、ロッシは大型の円筒形電離箱を設計・製作した。同軸電極間の間隔はわずか1センチメートル（0.39インチ）と狭かったため、応答速度は十分であった。[ 68 ]

信号を記録するため、ロッシはデュモン研究所から試作機として提供された超高速オシロスコープを、ガジェットから数百フィート離れた地下バンカーに設置し、そこで写真撮影を行った。信号をオシロスコープに導くため、彼は特大の同軸伝送線路を考案した。この伝送線路の内部導体は、チャンバーからオシロスコープへと進むにつれて細くなっていった。この構成によりオシロスコープに到達する信号が増幅されたため、増幅は不要となった。この驚くべき動作を確認するため、ロッシはハーバード大学教授のエドワード・パーセルに相談した。[ 68 ] [ 69 ]

実験の数日後、ロッシはフェルミと共に暗室に入り、現像したばかりのフィルムが乾く前に、核活動の初期成長率を計算することに成功した。これは将来の兵器開発にとって極めて重要な情報であった。トリニティでこの成長率を測定する試みは3回行われたが、ロッシの試みだけが完全に成功した。[ 70 ]

マサチューセッツ工科大学

マンハッタン計画と放射線研究所の成功により、MITは米国政府の資金援助による「ビッグサイエンス」の新時代へと突入した。 [ 71 ] MITの原子核物理学の拡大は、ジェロルド・R・ザカリアスが先頭に立っていた。ザカリアスは戦争末期にロスアラモスに行き、ヴィッキー・ワイスコフとロッシをMITの教授として採用した。[ 72 ]ロッシは1946年2月6日にロスアラモスを離れ、ケンブリッジに向かった。 [ 73 ]

ザカリアスが率いる新設の原子核科学研究所において、ロッシはMITに宇宙線研究グループを設立する任務を委任された。その助力として、ロスアラモスで博士課程に在籍していた4人の若い科学者、ハーバート・S・ブリッジ、マシュー・サンズ、ロバート・トンプソン、ロバート・ウィリアムズを採用した。放射線研究所に在籍していた2人、ジョン・ティンロットとロバート・ハルサイザーも彼と共に働くことになった。6人とも通常の大学院生よりも成熟しており、数年間の戦時研究経験を有していた。そのため、彼らにはポスドク研究員と同程度の給与が支払われた。これは海軍研究局の資金提供によるもので、大学院在学中に家族を養うことができた。[ 74 ]

ロッシは活動の新たな段階において、根本的なアプローチの転換を図りました。彼は次のように述べています。

新しい職に就いたことで、私の活動は過去数年とは大きく異なるものとなりました。以前は、一人で、あるいはせいぜい数人の学生の協力を得て、機器を製作し、使用場所に持ち込み、測定を行い、結果を分析していました。しかし今や私はグループ全体の責任を負っており、重要なのは私自身の仕事ではなく、グループ全体の仕事でした。私の任務は、私たちの手の届く範囲にある研究プログラムの中から最も有望なものを選び出し、機器の設計や実験結果の評価において支援が必要な箇所には協力することであり、これらはすべて、研究者の個々の自主性を阻害することなく、実行することでした。[ 75 ]

素粒子

1947年のパイ中間子の発見により、新しい素粒子の探索は人気の研究テーマとなった。[ 76 ]ハーバートは霧箱内で高速電離箱を操作することで、記録された電離バーストは主に比較的低エネルギーの宇宙線によって生成されたものであり、その核反応では通常、いくつかの重電離核破片が放出されることを示した。この効果に基づいて、ハーバートとロッシはこれらの相互作用の挙動が透過シャワーの挙動に似ていることを実証した。[ 77 ] [ 78 ]

ロッシのグループは霧箱を用いてその特性と相互作用を研究することに重点を置いた。1948年、鉛板とアルミニウム板を交互に配置した多板霧箱を用いて、グレゴリー、ロッシ、ティンロットは、宇宙線相互作用における電磁波成分の源は、電子ではなく、主に高エネルギー光子であることを実証した。[ 79 ]この結果は、相互作用において中性パイオンが荷電パイオンと共に生成され、この成分はそれらが光子へと急速に崩壊することによって生じるという、1947年のオッペンハイマーの示唆を裏付けるものとなった。[ 80 ]

新しい素粒子を研究するため、ブリッジとマーティン・アニスはエコー湖で大型の長方形の多重プレート霧箱を操作した。[ 81 ]この調査は、ロッシの指導の下、アニスが1951年に博士論文を書く基礎となった。翌年、この著者らは、ロッシのもう一人の学生であるスタニスワフ・オルバートと共に、[ 82 ]多重散乱の測定から粒子エネルギーに関する情報を導き出す方法を示した。これにより、霧箱を使用して素粒子の特性を測定する別の方法が追加された。[ 83 ] 1953年の初めに、ロッシは、ブリッジ、リチャード・サフォード、チャールズ・ペイルーと共に、 K中間子として知られるようになる素粒子の包括的な霧箱研究の結果を発表した。[ 84 ]ペイルーはエコール・ポリテクニークからの客員で、1947年にそこでミューオンの質量の正確な値を得ており、[ 85 ]サフォードはロッシの学生だった。[ 84 ]

バニエール・ド・ビゴール会議

1952年までに、質量、崩壊方式、命名法、同定の信頼性など、様々な素粒子が報告され、混乱を招いていました。この状況に対処するため、ブラケットとルプランス＝リンゲは1953年にバニェール＝ド＝ビゴールで国際宇宙線会議を開催しました。 [ 86 ]ジェームズ・クロニンによれば、「この会議は、 1927年のソルベイ会議と1948年のシェルター島会議という2つの有名な会議と同等の重要性を持つ」とのことです。[ 87 ]

ルプランス＝ランゲはロッシに、会議で発表された新情報の要約と新粒子の命名法の提案を依頼した。会議に先立ち、ロッシはこの後者の課題に対し、中性子より質量の小さい粒子は小文字のギリシャ文字で、質量の大きい粒子は大文字のギリシャ文字で命名するという提案を回覧した。1953年7月11日の講演で、彼はパウエルとフレッターの協力を得てまとめた会議の結果[ 88 ]がこの命名法と一致しており、後にこの命名法は広く用いられるようになったと報告した[ 87 ]。

ハイライトとなったのは、ルプランス＝リンゲが閉会の講演で「…将来は粒子加速器を使わなければならない」と宣言したことだ。ブルックヘブン国立研究所で既に3GeVコスモトロンが稼働していたため、この宣言は参加者の総意を反映していた。[ 87 ]その結果、ロッシのグループは霧箱実験を段階的に縮小し始めた。しかし、1954年、ブリッジ、ハンス・クーラント、ハーバート・デステーブラー・ジュニア、そしてロッシは、停止中の単電荷粒子が3つの光子に崩壊し、そのエネルギーの合計が陽子の静止エネルギーを超えるという異常な現象を報告した。これは反陽子消滅の兆候である。[ 89 ] [ 90 ]翌年、オーウェン・チェンバレンとエミリオ・セグレが率いるグループが反陽子を検出し、[ 91 ] 1960年にノーベル物理学賞を受賞した。[ 92 ]

広範囲にわたるエアシャワー

バニェール・ド・ビゴール会議の頃には、ロッシは既に宇宙線現象、特に大気シャワーの天体物理学的意味合いに注目していた。エリトリアでロッシがこれらの現象の存在を確認した後、ピエール・オージェ[ 93 ]やウィリアムズ[94]により広範囲に研究された。この頃、新たに開発されたシンチレーションカウンターの極めて高速な応答は、大気シャワーの構造を研究する新しい方法を提供した。これを実行するために、ロッシは1952年に博士号を取得した教え子のジョージ・W・クラークとパドヴァ大学から客員研究員として来ていたピエロ・バッシの協力を得た。固体のシンチレーション物質が手に入らなかったため、彼らは効率的な液体シンチレーターであるベンジンに溶かしたテルフェニルを使用することを決定した。 1952年から1953年の冬にMIT物理学棟の屋上に設置された3つのカウンターの助けを借りて、彼らはシャワー粒子がシャワーの軸の方向にほぼ光速で移動するディスクからわずか1〜2メートル以内に到達することを発見しました。[ 95 ]

この結果は、シンチレーションカウンタが、広範囲に広がる多数の検出器におけるシャワーディスクの到達時刻を決定できるだけでなく、各検出器に衝突する粒子の数を推定できることを示した。これらの機能は、シャワーの到達方向を決定する「高速タイミング法」と、シャワーのサイズと軸の位置を決定する密度サンプリング法を組み合わせたものである。[ 96 ]

アガシーの実験

この進歩を受けて、ロッシのグループは大気シャワーの一次エネルギーと到来方向の両方を測定できる主要な実験を開始した。この研究に参加したのは、ジョージ・クラーク、ウィリアム・クラウシャー、[ 97 ]ジョン・リンズリー、ジェームズ・アール、フランク・シェルブである。クラウシャーはケネス・グライゼンのもとで博士号を取得した後、1949年にコーネル大学からMITに赴任した。ハーバード大学天文台の所長であったドナルド・メンゼル教授の支援を受けて、ロッシのグループは天文台のアガシー観測所の森林地帯に面積1平方メートル（11平方フィート）の液体シンチレーター15台を配置した。信号はケーブルでクォンセット小屋に送られ、そこで15台のオシログラフに表示され、写真に記録された。[ 96 ]

実験がシャワーデータを記録し始めて間もなく、雷がカウンターの一つの可燃性液体に引火しました。地元の消防士たちは、雨水に濡れていた近くの木々に火が燃え広がる前に、速やかに消火しました。木々は、望遠鏡による観測の精度を低下させる大気対流を抑制する上で重要な役割を果たしていたため、ハーバード大学とMITは緊迫した交渉を重ね、最終的には精巧な防火システムが設置され、実験の再開が許可されました。[ 96 ]火災の脅威を排除するため、クラーク、フランク・シェルブ、ウィリアム・B・スミスは、厚さ10センチメートル（3.9インチ）、直径約1メートル（3フィート3インチ）の不燃性プラスチックシンチレーターディスクを製造する「工場」を設立しました。[ 98 ]

1956年の晩春にプラスチックに切り替えられた後も、実験は継続され、その成果はネイチャー誌[ 99 ]とフィジカル・レビュー誌[ 100 ]に報告された。ロッシは最も重要な結果を次のように要約した。

  1. シャワー中心からの距離の関数としてシャワー粒子の密度を正確に測定します。
  2. 10 15 電子ボルトから10 18 電子ボルトまでのシャワーの原因となる一次粒子のエネルギースペクトルの測定。
  3. これらの粒子があらゆる方向から実質的に同数で到達することの証明。
  4. 10の19 乗電子ボルトに近いエネルギーを持つ粒子の観測。 [ 101 ]

アガシーの実験が終了すると、研究グループは、空気シャワーの到達方向がほぼ等方的であるという結論を拡張するには、赤道付近と南半球での観測が必要であることを認識した。その結果、クラークはヴィクラム・サラバイと共同で、インドのコダイカナル（北緯10度）で小規模な実験を行い、異方性が存在しないことを確認した。 [ 102 ]その後、イスマエル・エスコバーの提案により、[ 103 ]アガシーの装置はボリビア高原の南緯16度、標高4200メートルのエル・アルトに移された。ここでクラーク、エスコバー、フアン・ヘルシルは異方性を発見しなかったが、空気シャワーが最大に発達した際の構造は海面での構造とは異なることを示した。[ 104 ]

ボルケーノランチ実験

アガシーの実験で記録された粒子の最大エネルギー10の19乗電子ボルトは、10の-5乗ガウスという典型的な星間磁場では荷電粒子を銀河円盤 内に閉じ込めることができないエネルギーに近い。このようなエネルギーのシャワーを検出するには、非常に大きな寸法の検出器アレイが必要である。ジョン・リンズリーはそのようなアレイの構築を引き受けることに同意した。[ 96 ]彼はミネソタ大学から1954年にMITに移り、そこでエドワード・P・ネイの指導の下で博士号を取得した。間もなく、ロッシがミラノ大学のオッキアリーニのグループから採用したリヴィオ・スカルシが彼に加わった。[ 105 ] 

ボストン近郊には十分な広さの空き地がなかったため、ニューメキシコ州アルバカーキの西約16マイル (26 km)、標高1,770メートル (5,810フィート)のボルケーノランチと呼ばれる半砂漠地帯にアレイが建設された。1957年から1958年にかけて、リンズリーとスカルシは19台のシンチレーションカウンタを配置した。これはアガシーの検出器と同様の蛍光プラスチックディスクを使用していたが、各カウンタには4つの光電子増倍管で観測される4つのディスクが組み込まれていた。当初アレイの面積は2.5*10 6  m 2で、アガシーの10 5  m 2と比較されるが、1960年にスカルシがミラノに戻った後、リンズリーは検出器を10 7  m 2の面積に広げた。[ 96 ]

ボルケーノランチ実験の結果、宇宙線の強度は10の17乗から 10の18乗 電子ボルトのエネルギーで滑らかに減少することが示されました。[ 106 ]また、この範囲の一次粒子は等方的に到達します。[ 107 ]特に重要なのは、10の20乗 電子ボルトというエネルギーが、銀河の磁場によって銀河円盤内に封じ込められる最大値よりも大きい単一粒子の検出です。 [ 108 ]このエネルギーの粒子は銀河ハロー内か銀河の外からのみ発生する可能性があり、その存在はグライゼン・ザツェピン・クズミン限界とは一致しません。[ 109 ]

宇宙プラズマ研究

1957年10月4日、ソ連は世界初の人工衛星スプートニク1号を打ち上げた。この出来事をきっかけにスプートニク危機が勃発し、アメリカ国民は驚き、ヒステリーに近い感情に襲われた[ 110 ] 。 [ 110 ]これに対し、アメリカ政府は国立科学財団への資金提供を増額し、1958年にはアメリカ航空宇宙局（NASA）と高等研究計画局（1972年に国防高等研究計画局（DARPA）に改称）を設立した。[ 111 ] NASA設立法案が提出されて2日後の1958年6月4日、米国科学アカデミー会長のデトレフ・W・ブロンクは、これら3つの機関の長と会談し、宇宙研究の拡大に関する助言を行い、基礎科学への資金提供が適切に行われるよう、新たな諮問機関である宇宙科学委員会を設立した。[ 112 ]

エクスプローラー10号衛星。白い円形のキャップがMITファラデーカップの開口部を覆っている。

委員会は1958年6月27日に最初の会合を開いた。宇宙研究に携わっていたのはロッシ、レオ・ゴールドバーグ、ジョン・シンプソン、ジェームズ・ヴァン・アレンの4人だけだった。[ 112 ]ロッシはトーマス・ゴールド、フィリップ・モリソン、生物学者サルバドール・ルリアを含む小委員会を組織し、惑星間空間のプラズマの研究が望ましいとの意見で一致した。その結果、ロッシはグループの努力をその研究に向けることを決めた。[ 113 ]ハーバート・ブリッジとともにロッシは古典的なファラデーカップをベースにしたプラズマプローブを設計しテストした。しかし、計器の正に帯電した陽子への反応を強化し、太陽光によって生成される光電子への反応を抑制するために、カップ内に4つのグリッドを配置した。重要な革新はグリッドの1つに変調電圧を印加したことで、これが信号を交流電流に変換した。交流電流は陽子流に比例し、光電子の寄与に汚染されていないものだった。[ 114 ]

NASAの宇宙飛行プログラム副部長ホーマー・ニューウェルへの熱心なロビー活動の結果、ロッシは「ゴダード初の国産衛星」であるエクスプローラー10号の飛行機会を確保した。 [ 115 ]発表されていない目標は月への到達だったが、1961年3月25日の打ち上げ後、衛星は地球を周回する非常に細長い軌道に入った。その遠地点は月までの距離の70%であり、この目標には程遠かった。[ 116 ]

それでも、MITの探査機がバッテリー切れまでに記録した52時間分のデータの中で、ロッシらの研究グループは地球周辺の2つの異なる領域間の遷移を発見した。地球近傍では、かなり強く整然とした磁場が存在したが、惑星間陽子の存在を示す兆候は見られなかった。地球半径の22倍の地点で、探査機は磁場が弱く不規則な領域に入り、太陽の方向から大量の陽子が飛来する様子が観測された。その後の飛行中、この陽子の飛来は何度か消失し、その後再び現れた。これは、探査機が2つの領域の境界付近を飛行しており、境界が不規則に動いていることを示唆していた。[ 116 ]最終的に、この境界は磁気圏界面として知られるようになった。[ 117 ] [ 118 ]

ブリッジとロッシの指揮下で、MITの宇宙プラズマグループにはフランク・シェルブ、エドウィン・リヨン、アラン・ラザラス、アルベルト・ボネッティ、アルベルト・エジディ、ジョン・ベルチャー、そしてオッキアリーニの妻だったコンスタンス・ディルワースが所属していた。 [ 113 ]ファラデーカップは太陽系全体のプラズマに関するデータを収集してきた：OGO-1、OGO 3、IMP 8による地球近傍、[ 119 ] WINDによる惑星間空間、そしてボイジャー1号とボイジャー2号によるヘリオスフィアとヘリオシース。[ 120 ]

X線天文学

マージョリー・タウンゼントはNASAゴダード宇宙飛行センターでの飛行前試験中にブルーノ・ロッシとX線探査衛星の性能について話し合った。

アメリカン・サイエンス・アンド・エンジニアリング社のコンサルタントとして、ロッシは太陽系外初のX線源であるスコーピウスX-1を発見したロケット実験を開始した。[ 121 ]ロッシは1966年にMITの研究所教授に就任した。[ 122 ]

退職

ロッシは1970年にMITを退職した。1974年から1980年にかけて、彼はパレルモ大学で教鞭を執った。退職後、彼は数冊のモノグラフを執筆し、1990年には自伝『ある科学者の人生の瞬間』をケンブリッジ大学出版局から出版した。彼は1993年11月21日、ケンブリッジの自宅で心停止のため亡くなった。妻ノラ、娘フローレンスとリンダ、息子フランクが残された。 [ 122 ]彼は火葬され、遺灰はフィレンツェとアルチェトリの丘を見下ろすサン・ミニアート・アル・モンテ教会の墓地に埋葬されている。[ 123 ]

栄誉と賞

受賞歴

栄誉

遺産

本

  • ロッシ、ブルーノ（1952）『高エネルギー粒子』ニューヨーク：プレンティス・ホール、OCLC  289682。
  • ロッシ、ブルーノ（1964年）『宇宙線』ニューヨーク：マグロウヒル。
  • ロッシ、ブルーノ、S.オルバート (1970). 『宇宙物理学入門』ニューヨーク: マグロウヒル.
  • ロッシ、ブルーノ（1990年）『科学者の人生の瞬間』ケンブリッジ：ケンブリッジ大学出版局、ISBN 0-521-36439-6。
  • ロッシ、ブルーノ (1957). 『光学』マサチューセッツ州レディング: アディソン・ウェスレー.
  • ロッシ, ブルーノ (1959). 「高エネルギー宇宙線」. Sci. Am . 201 (5) (1959年11月発行): 135–46 . Bibcode : 1959SciAm.201e.134R . doi : 10.1038/scientificamerican1159-134 . PMID  14439229 .

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