壮
大
な
物
理
実
験
室

宇宙

ケプラー，ニュートン・・・
古くから科学者は宇宙を観察することで「法則」を発見し，「物理学」という学問を築きあげてきました。
宇宙は物理学という厳密なシナリオにのっとった，私たちの想像を絶するドラマの舞台なのです。
そして，科学技術の進歩により，今や宇宙は科学者達の手近な実験室になりつつもあるのです。
写真：すばるが捕らえたオリオンKL領域

巨大望遠鏡で宇宙を探る
日本の科学者達によって設計された新世代の望遠鏡「すばる」。
世界に誇るそのすばらしい性能は，はるか120億光年先の銀河団をも見ることが可能です。
そしてこの「すばる」を通して新たな発見が次々と生まれています。

すばる展望鏡
国立天文台のすばる望遠鏡は，一枚鏡としては世界最大の8.2mの主鏡をもつ可視光および赤外線望遠鏡です。最物
理も大気揺らぎの影響が小さく，湿度の極端に低いハワイ島マウナケア山（標高4200ｍ）山頂に1997年建設され，角度分解能0.2秒の世界最高性能を達成し，現在，世界中の天文学者が観測を行っています。
マウナケア山頂のドーム全景（右）とす
ばる望遠鏡本体（下）写真提供：国立天文台

すぐれた観測装置群
すばる望遠鏡には，可視光・赤外線用の７つの観測装置があり，様々な観測目的に応じて使い分けられています。その中のひとつOHS（OH夜光除去分光器）は，大学と国立天文台が共同で開発した，望遠鏡の赤外線での観測性能を６倍以上に高めることのでき
る，すばる望遠鏡だけが持つ特殊な観測装置で，特に宇宙遠方の天体の性質を詳しく調査する際に威力を発揮して
写真提供：国立天文台

います。

120億光年のかなた
OHS の一部分は広視野の赤外線カメラとして使用する事ができます。このカメラを用いて，長時間同じ領域を観測し続けることによる遠方宇宙の探

上：夜光除去分光器 OHS
下：OHS により取得された100億光年彼方の巨大銀河の赤外線スペクトル
酸素や水素などの可視光の輝線が赤方偏移して赤外線で観測されているものです。

査や，可視光では塵に隠されて観測できないような星生成領域の観測が行な
われています。
左：遠方宇宙の赤外線画像
約120億光年彼方の宇宙初期の銀河を捕えている事が最近の観測結果と合わせて分かってきています。

右：分子雲中で星生成が行なわれている
領域 S106 の観測結果
すばる望遠鏡の高い分解能により，重く大きい星から軽く小さい星までどの程度の数の星が生まれているのかが詳しく分かりました。
写真提供：国立天文台（2点とも）

6

宇宙の始まりを見る
宇宙は今から150 億年前の「ビッグバン」によって生まれたといわれています。
つまり，150 億光年先から来る情報には，宇宙が生まれたその瞬間を教えてくれる「何か」が含まれているのです。

ALMA
世界の天文学学者が共同で，南米チリ共和国の標高5000メートルのアン

物理

デス高地に大型サブミリ波干渉計（ALMA）を建設しています。周波数30GHzから1000GHzのサブミリ波を観測します。微弱なサブミリ波を観測するために，鏡面誤差が20μm以下の高精度パラボラアンテナや量子限界の
低雑音超伝導受信機，そして超高速デ

資料提供：国立天文台

ータ伝送技術などの最先端技術の開発もおこなっています。直径12ｍアンテ

Astro-F

ナを64台配置して，ハッブル望遠鏡の宇宙科学研究所を中心として，2004

10倍以上高い解像度 (0.01秒角)を実現

年2月打ち上げを目標に赤外線天文衛

します。

星Astro-Fの開発が進んでいます。口径70cmの冷却型望遠鏡により，波長2〜200μmの過去最高の感度を備え，宇宙に存在する各種の天体の謎を赤外線観測により明らかにします。
資料提供：宇宙科学研究所

星や銀河の赤ちゃんを探す
Astro-FとALMAは可視光では見えな

さらに，Astro-FとALMAの観測する波として観測されるからです。年齢がい星間物質を捕らえます。この暗黒星

赤外線からサブミリ波は，生まれたば

数億年の若い銀河が大量にみつかり，間物質は，星を誕生させる材料となりかりの銀河を探すのに適しています。

銀河がどのようにしてできたかがわかます。太陽のような恒星や地球のよう

原始の銀河の放射する光が宇宙膨張にるでしょう。

な惑星が生まれるようすを調べて，太よって赤方偏移し，赤外線やサブミリ

陽系の起源を解き明かします。また，
サブミリ波では，生命の起源に関連する有機分子の検出も可能です。

原始太陽

0.01″
110pe
原始惑星

資料提供：国立天文台

7

資料提供：国立天文台

Astro-E2
宇宙科学研究所を中心としてX線天宙で，酸素や炭素などの多くの元素

ブラックホールに落ち込む物質は下

文衛星Astro-E2の製作が進んでいまがいつどこで作られ宇宙空間にどの図のように「降着円盤」と呼ばれるガす。これはロケットの故障のためように拡がっていったかを調べます。

ス円盤を形成します。ガスはブラック

2000年2月に打ち上げに失敗した

また，広い観測X線波長帯域を生かし，ホールの周りを激しく回転するため，

Astro-E衛星を再製作するもので，

巨大ブラックホールの誕生の謎を解膨大な摩擦熱を発生し1000万度に達

2005年2月の打ち上げを予定していま明します。

する超高温となりＸ線を放射します。

す。絶対温度約0.06ケルビンで動作す

図は日本のグループが米国のチャンる高分解能X線分光器など4種類のX線

ドラ衛星を使って発見したM82銀河の観測装置を搭載し，過去最高のX線波

中質量ブラックホールです。巨大ブラ

長帯域と波長分解能を備えています。

ックホールに成長すると考えられていAstro-E2は，ビッグバン直後には水ます。矢印は同時に発見された小型の素とヘリウムしか存在しなかった宇ブラックホールです。

これを観測することでブラックホール
を間接的に捉えられます。
左：Astro-E2
右：ブラックホール
日本のグループが米国のチャンドラ衛星を使って発見したM82銀河の中質量ブラックホールで物理す。巨大ブラックホールに成長すると考えられています。

ブラックホールの場合

ブラックホール

資料提供：宇宙科学研究所

科学衛星による惑星探査
惑星探査計画
金星は太陽からの距離が地球に最もまた，探査機 Planet-Bが，今現在，近く，また，惑星自体の大きさも地球

火星到着を目指して飛行を続けており，とほぼ同じ惑星です。表面は高温の炭小惑星のサンプルリターンを目的とす

酸ガスの大気と硫酸の雲に覆われているMuses-C衛星は2002年に打ち上げらます。自転運動は非常にゆっくりとしれる予定です。さらに，月探査を目的ていますが，雲は毎秒100メートルもとする Lunar-A衛星や SELENE衛星なの高速で惑星の自転する方向に運動しどが次々と打ち上げられ，また，水星ています。スーパーローテーションと探査衛星をヨーロッパと協力して打ち呼ばれるこの運動に代表される大気の上げることも計画されています。

力学を調べるために，宇宙科学研究所が中心となって2007年に金星を周回す

科学衛星による惑星や月の探査が本格的に始まろうとしています。

るPlanet-C衛星が打ち上げられる予定です。これにより，金星大気に雷現象が存在することの確認や，現在の地球の大気と著しい違いが生じた原因を探るために，金星の大気からどの様にまたどのくらい，外の空間に大気を構成する粒子が逃げ出しているかを調べる
予定です。

左 ：Planet-B
右上：Muses-C
右下：Planet-C
資料提供：宇宙科学研究所

8

「見えない」宇宙を見る
宇宙空間は「真空＝何もない」と思われがちです。
しかし，科学の目で見てみると，宇宙空間は「エネルギー」に満ちあふれた空間なのです。
いったい何があるのでしょうか？そしてそれはどこから来るのでしょうか？

高エネルギー宇宙物理

宇宙線を作る巨大加速器天体

下の写真は米国のComptonガンマ線

宇宙線起源の天体は100年近く謎でンマ線望遠鏡（CANGAROO 日豪共

衛星が捉えた銀河面からの１億電子ボした。最近，日本のX線天文衛星「あ同実験)が検出（中図）に成功，宇宙

ルトガンマ線です。宇宙線が星間ガス

すか」が，超新星残骸SN1006から超線起源天体と考えられる具体的な天体と衝突して発生したガンマ線の放射と高エネルギーに加速された電子が作るが初めて観測されたことになり，大き考えられ，銀河に宇宙線が満ちている

シンクロトロンX線（左図）を発見，な反響を呼びました。

ことがわかります。

さらに同時に生成されると考えられる
超高エネルギーガンマ線（10兆電子ボ
ルト以上）を地上の超高エネルギーガ

写真提供：NASA

左：SN1006のシンクロトロン
X線像
中：宇宙線起源天体
右：X線，γ線の発生のしくみ

宇宙線は宇宙からふりそそぐ高エネ
ルギーイオンであり，10の20乗電子ボルトという，途方もないエネルギーにまで達します。大気と衝突して，いくつもの粒子を生成した電磁シャワーをつくり，地上に多くの粒子を降らせます。

宇宙線をいかにして捉えるか？
X線，ガンマ線は大気に吸収される

して，高エネルギー粒子と大気との衝ので，衛星観測が必要です。ただし

突でできるシャワーからの前方へのビ

100億電子ボルト以上になると，そのーム状のチェレンコフ光を地上の望遠

フラックスが極端に少なくなります。

鏡で捉えることで，ガンマ線，宇宙線

そのため右図のように大気を検出器とを測定します。

宇宙線が大気と衝突して生成される電磁シャワーの計算機シミュレーション
資料提供：宇宙科学研究所

左：X線観測衛星
右：X線，ガンマ線の観測施設
光が地上で広がって大きな面積の装置と同等になり，フラックスの弱い超高エネルギーガンマ線を捕らえることができます。右図はオーストラリアに最近完成したガンマ線望遠鏡です。

9シミュレーション科学
科学者は様々な科学現象をつぶさに観察し，理論体系化してきました。
そして現在，この理論体系をコンピュータに入力することで，今まで肉眼では見ることのできなかった「その瞬間」を再現することが可能になりました。

スーパーコンピュータによる科学の創造

粒子の生成反応を見る
下の3点の写真は，金の原子核同士

1990年代，パーソナルコンピュータ

を200兆電子ボルトのエネルギーで正の性能は格段に向上し，80年代のスー面衝突させ，反応の時間変化を追いか

パーコンピュータをしのぐに至りまし

けたコンピュータシミュレーションでた。さらにインターネットの出現はコンピュータを大衆化するとともに，世界中のコンピュータがインターネット
を介してつながるようになりました。
そのような技術の中から数千以上の計算機をひとつにする並列計算技術が急物理す。最近ではコンピュータの進歩で，このようなたくさんの粒子の生成反応を計算することができるようになりました。静止している時は球形をしている原子核が，非常に高速で運動してい生まれてから10のマイナス５乗秒といるため特殊相対論的効果で収縮して板

うごく短い時間後の状態に相当する２状に見えています。また非常にエネル

兆度という超高温の状態をつくり出す

速に進歩し，従来不可能であった非常

ギーが高く大量の素粒子が生み出されことができると考えられています。こに多数の構成粒子の個々の運動から大る様子が手に取るようにわかります。

の図のような反応結果を解析すること

きな全体をシミュレーションすること

上の写真は，実際の金の原子核のによって，宇宙の初期状態に存在して200兆電子ボルトでの正面衝突の様子

いた物質の状態を理解しようとする研これにより理論式としてしか表現でです。シミュレーションの予想どおり究が進められています。

きなかった世界が可視化され，検証不

大量の粒子が飛び出しているのがわか可能と思われていた理論分野が実証可

ります。このような反応では，宇宙がが可能になりました。

能になり，シミュレーション科学がひ
とつの科学分野として認知されるようになりました。

月の誕生を見る
月がなぜあるか，実はこれも最近まで全くの謎でした。しかし，地球に衝突した惑星の破片と地球重力との相互作用をシミュレーションすることで，自然に現在の月の軌道，周期，重量などほとんどの物理量を再現することに成功し，惑星衝突説が最有力になってきました。左の図は，衝突からたった一ヶ月で現在の月ができた様子を示す
シミュレーション画像です。

資料提供：国立天文台

10

﹁
物
質
﹂
と
は
何
か
？

素粒子
原子核

これは，岐阜県神岡町の地下

1,000mにある「スーパーカミオカ
ンデ」という研究装置です。
直径 40m，深さ 40mの巨大な水槽の内部に 11,200本の光検出器（写真の中の点々ひとつひとつが光検出器です）を備え，ニュートリノと呼ばれる目に見えない素粒子の検出を行っています。

謎の素粒子「ニュートリノ」
超新星爆発や太陽からは「ニュートリノ」と呼ばれる素粒子が放出されます。
このニュートリノを観測することで，光では観測不可能な星の中心部を直接研究することが可能になり，ビッグバン直後の超高温の宇宙の様子をはじめ，様々な謎を解明できるかもしれないのです。

スーパーカミオカンデ

ニュートリノ振動

ニュートリノは電荷を持たない，非ニュートリノ振動が起こると，発種類のニュートリノが混合した状態

常に軽い素粒子です。その質量は長い生時と異なっる成分比でニュートリ

でニュートリノは発生し，観測され間測定できないでいましたが，1998年

ノが観測にかかるため，ある種のニます。その場合，発生した時に同じ東京大学宇宙線研究所を中心としたスュートリノは減少し，別の種類のニ地点にいた各種ニュートリノ成分は，ーパーカミオュートリノは増加する現象が起こり飛行中に分離されてしまいます（下カンデ実験にます。

図）。

より初めて質スーパーカミカオカンデではミュ量が測定されーオン型ニュートリノが地球の反対ました。

側から来る場合（右図：−１の点），

スーパーカミ

写真提供：東大宇宙線研究所

日本の上空からくる場合（右図：＋オカンデ検出器は約5万トンの純水を１の点）よりも減少していることを使い，ニュートリノが水と反応する現観測しました。

象を観測します。ニュートリノ反応は

これはニュートリノ振動が起こっ

リング状の光として観測される（上図）ている場合の予想（右図：緑線）とため，スーパーカミオカンデ検出器は非常に良く一致します。また2001年

水槽内に50cm径の光検出器11,200本にはスーパカミオカンデとカナダのを設置しています。

SNO実験の観測から太陽から来るニ

ニュートリノの正体

Multi-GeV μ-Like + PCュートリノもニュートリノ振動で減少していることが判明しました。

-1

-0.5

資料提供：東大宇宙線研究所

0

0.5

1

θ

ニュートリノは宇宙線によって大気中で生成されます（上図）。ニュート

ニュートリノ振動：ニュートリノ

リノは地球を通り抜けることができるは3種類存在し，それぞれ異なる質量ので世界中の空で発生したニュートリを持つと考えられています。その数ノがスーパーカミオカンデで観測できます（下図）。
この観測を通しスーパカミオカンデ
はニュートリノに質量がある場合の特有な現象であるニュートリノ振動の観測に世界で初めて成功しました。

資料提供：高エネルギー加速器研究機構

日本横断の実験
ニュートリノ振動をより詳細に研ミオカンデで検出されます。ニュー究するため，人工的に加速器でニュ

トリノ研究は宇宙の解明，素粒子物

ートリノを発生させる長基線ニュー理学者が目指している全ての力の統

トリノ振動実験が現在進行中です。

一理論の進展等に大きな貢献をする

ニュートリノはつくばで生成され日ことが期待されています。

本を横断し，250km離れたスーパカ

ニュートリノは地球を通り抜けることができます。

資料提供：高エネルギー加速器研究機構

資料提供：高エネルギー加速器研究機構

12

物
理

粒子・反粒子の謎
物質を細分化していって最後にたどり着く究極の粒子，それが素粒子です。
宇宙の創世記「ビッグバン」では，この素粒子とともに「反粒子」というものも同じ数だけ生まれたといわれています。
では，「反粒子」はどこにいってしまったのでしょうか？

粒子・反粒子

物理

小林・益川理論

我々の世界は，主に陽子・中性子・

小林・益川理論によると，ボトムク

電子で構成されています。現在の素粒ォークから構成されるB中間子では粒子物理学で，物質を構成する素粒子

子・反粒子の大きな差異が観測される（クォークとレプトン）には下図に挙と予想されています。このためB中間げる12種類の粒子と電荷が反対の反粒子を大量に生成できる加速器，B-ファ子があることが判っています。宇宙創クトリー（全景：右上図，本体：右下

生期，ビッグバンにおいては粒子反粒図）がつくばの高エネルギー加速器研子は同数作られたと考えられていま究機構で建設され，多数の大学の研究す。ではその反粒子は反物質を作るこ

者が粒子・反粒子の研究に取り組んでとなく何故消えてしまったのでしょう

います。

か？その鍵は，日本人物理学者小林・
益川氏が提案した理論により第3世代のボトムクォークが担っていると考えられています。

素粒子反応を検出する
大量に生成されるB中間子を観測するための素粒子反応検出器，Belle（下写真）が建設されました。この検出器

クォーク

レプトン

の精度で測定します。Belle検出器では

第3
ボトム

トップ

はB中間子が崩壊した地点を数十μm

タウ

タウ
ニュートリノ

右図のようにB中間子の崩壊が観測されます。

第2ミューオン ミューオン
ニュートリノ

ストレンジ チャーム

第 1
ダウン

アップ

Belle検出器の正面図と観測された粒子の電子

電子
ニュートリノ

-0

0

飛跡

世 代
-1/3e

2/3e

電荷

粒子だけが生き残るわけ
Belle実験では粒子と反粒子がある特殊な状態（CP固有状態）に崩壊する
際の寿命の違いを測定します。つまり，
粒子と反粒子はどちらが長生きかを調べているわけです。B-ファクトリーではB中間子と反B中間子が対で生成され，その寿命の差を測定します（左上ビッグバンのイメージ

図）。2001年夏，ついにB中間子と反B中間子の間でCP固有状態に行く場合に大きな寿命差があることが判明しま

このページの写真・資料提供：高エネルギー加速器研究機構

13

した（左下図：青線CP=1，赤線CP=-1）。

原子核物理学
原子核とは文字通り原子の核をなす要素です。
原子核には，今まで知られていた「普通の」原子核の他にも，様々なタイプの存在が明らかになりつつあります。
物質の基本的な要素でさえ，まだまだ知られていないことがたくさんあるのです。

新しいタイプの原子核
原子核は物質の基本要素です。陽子のか，まだよくわからないことばかりと中性子が集まってできた原子核が，です。つまり，我々人間は物質の本質

まわりに電子をまとって原子となり，をまだ理解していないのです。

物質を形作っています。現在，約千種

原子核は，ほぼ同数の陽子と中性子類の原子核が知られていますが，陽子が球形に集まったものというのが従来や中性子がどういう力で結合してなぜの常識でしたが，最近では右図のようこのような原子核になるのか，初期宇な様々な新しいタイプの原子核の存在

宙では物質はどういう姿で，そこからが明らかになり，この常識は覆されま

どのようにして原子核が作られてきた

した。

物
理

構造を調べると，従来調べられなかった原子核の深部の様子や，陽子や中性子の間に働く力の詳しい性質を知ることができます。
ハイパー原子核の研究は，実験・理

ハイパー原子核論の両面で日本の研究者が圧倒的に世

ここでは，陽子，中性子，ラムダ粒界をリードしています。最近，つくば子の三種類の粒子からなる「ハイパー

市の高エネルギー加速器研究機構

原子核」の研究を紹介します。上図の（KEK）では，世界で初めてハイパー

ように，加速器で人工的に作った「中原子核の発生する光（ガンマ線）の精間子」を原子核に当てると，中性子が密測定に成功しました。こうしてハイ

ラムダ粒子に変化し，ハイパー原子核

パー原子核の精密構造が次々と解明さが作られます。このハイパー原子核のれています。

拡がるハイパー原子核の世界
さらに，別のKEKの実験では，ラムダ粒子を2つ含む二重ラムダハイパーのように第三の軸を加えて3次元的に表されることになりました。

原子核の決定的な証拠が写真乾板の中

ハイパー原子核は単なる人工的な物に捉えられました（下図左）。こうし質ではなく，中性子星の内部に存在すて，これまで陽子の個数と中性子の個るとされています。こうして我々の物数で区別されていた原子核は，下図右

質観も拡張されるのです。

ハイパー原子核のガンマ線の検出装置と実験で得られたスペクトル14素粒子と生命の融合
私たち人間の体も，行き着くところは素粒子の集まりです。
つまり，宇宙空間にある物質や身の回りのものと，ある意味「同じ」だといえます。
「物理」というと，一見，無機的なものを扱う学問と思われがちですが，「素粒子的な見方」をすればそのような垣根は存在しないといえます。

nx

nm

神岡

295km

東海

スーパーカミオカンデ
検出器

物
理

ニュートリノ質量からレプトン族の混合測定まで
電子ボルト以下の領域のミュオン

ミュオン科学
物質の磁性、表面界面物性、ミュオン触媒核融合、等

ミュオン（μ）

大強度陽子加速器施設
原子核標的（A）

大強度陽子加速器施設は，高エネル

π中間子
π→μ+ν

中性子（n）

K中間子

所が共同で建設を進めている多目的加速器施設です。平成18年度末の完成を予定しています。

反陽子
陽子（p）
3 GeV, 50 GeV

ク，30億電子ボルトシンクロトロン，

50 GeV陽子ビームを原子核にあてて発生する
中間子、反陽子、ニュートリノなどのいろいろな粒子ビームを利用する。

MeV領域の中性子

3 GeV-333μAの大強度陽子ビームによって発生する世界最強のパルス中性子源。

中性子科学

う世界最高強度を誇る陽子加速器群か

強度陽子ビームという共通の道具を基

ハイパー核、核物質中のＱＣＤ、ニュートリノ振動、Ｋ中間子崩壊、等中性子（n）

500億電子ボルトシンクロトロンといこれらの加速器群から供給される大原子核・素粒子物理学

加速器駆動消滅処理建設される加速器は，陽子リニアッら成り立っています。

ニュートリノ（ν）GeV領域の粒子

陽子（p）

ギー加速器研究機構と日本原子力研究

π中間子の崩壊によって発生するミュオンを効率よく集めて世界最強のパルス状ミュオン
ビームをつくる。

大強度陽子ビームによる多様な粒子ビー
ムの生成

高温超伝導発現機構、生命現象、
高分子･液晶･超分子、新素材

meV-eV領域の中性子タンパク質の３次元構造の解明

新しい超伝導物質の構造解明・開発

粒子を発生させて，これを利用した広中性子散乱は，X線と比較すると水

中性子は，ミクロな磁石としての性い範囲の科学分野の研究が行われます。

素などの軽い元素に高い感度を持って質も持ち，磁性体の構造の研究にも大その範囲は，ミクロの世界を探求すいます。この特徴を生かして，複雑ないに役立っています。例えば，新しくる原子核・素粒子物理学から，より身

３次元構造をもつタンパク質の全体像開発された超伝導材料の性質を理解

近な物質の基本的性質や生命の機構ををとらえることができます。

し，実用化に向けた開発を進める上でに，中性子，ミュオン，Ｋ中間子，反陽子，ニュートリノなどの様々な二次探る物質・生命科学，あるいは人類の最近では，このようなタンパク質の未来のための新しい技術開発など，形が，生体内での働きと深い関わりを様々な分野をカバーしています。むし持つことが知られてきています。

ろ，従来の学問領域にとらわれない21も重要な役割を果たしています。

水分子

世紀の新しい科学・技術分野の創成へとつながることが期待されています。

X線で見たタンパク質の構造(C, N, O, S原子からな
このページの写真・資料提供：高エネルギー加速器研究機構

15

る骨組み構成）

中性子で見たタン
パク質の構造Ｘ線では見えない水分子がよく見える

超伝導の渦構造の観測（左）と超伝導技術を応用して動くリニアモーターカー（右）超伝導の新しい潮流
ある温度以下で電気抵抗がゼロになる状態を示す物質のことを「超伝導体」といいます。最初に発C）の水銀でした。
見された超伝導体は，4.15ケルビン（-269°
その後，より高い温度で超伝導となる物質が世界中の研究機関で探し求められています。

酸素の超伝導

現代社会の営みは，通信・輸送・家

酸素は空気中に窒素についで多く含

庭生活の全般にわたって電気を利用しまれ，身近な元素です。酸素に100万た機器に強く依存しています。物質に気圧もの超高圧をかけて冷やしていく

電気を流すと電気抵抗が生じるため，と，絶対温度で0.6ケルビン以下では

電気エネルギーの多くは熱として消費

超伝導になることが発見されました。

されています。ところがある種の金属

この他，超高圧力のもとでは，鉄も強のなかには，冷やしていくと電気抵抗

磁性を失ったあと，超伝導になることが突然，完全に消失するものがありまがわかりました。

1.0

電気抵抗(R/R 1K)

超伝導とは

物
理

98 万気圧120 万気圧0.5

125 万気圧す。これを「超伝導体」といいます。
0

超伝導状態では，電気を運ぶ電子は2個ずつ対を作り，それらの電子対がボ

最近､これまでになかった新しい物
質や新しい性質の超伝導体が次々と見

1

超高圧のもとでの酸素の電気抵抗

ース・アインシュタイン凝縮（18ページ参照）を起こしています。

0.5
温度（ケルビン）

120 万気圧における固体になった酸素。
電気抵抗測定のための電線が取り付けられている。

つかりました。特に日本の大学での研究から多くの発見が生まれています。
c

2ホウ化マグネシウムの高温超伝導aa

マグネシウムとホウ素が1対2の割合

は超伝導体であったことを日本の大学

Mgで結合した２ホウ化マグネシウムが､4年生が卒業研究の実験中に発見したB

金属化合物としては従来の転移温度のものです。この物質は値段も安く､薄記録を一気に16ケルビンも塗り替える

く広げたり線状に伸ばしたりする加工

39ケルビンで超伝導になることがわか面でも優れた性質をもっており，実用りました。この物質は研究用の試薬と的な超伝導材料として，その将来が大して市販されていましたが，それが実いに期待されています。

2ホウ化マグネシウムの結晶構造

超伝導体の中では，電気を運ぶ電子

ムの酸化物超伝導体がその例です。こ運動していることがわかりました。一は2個ずつ対をつくっています。電子の超伝導体では電子の対（白い球で表方向に公転運動していることを上向きには右向き・左向きの自転に相当する

現）は小さい矢印で表されたように同の大きな矢印で表現しています。

ような2種類のスピンという状態があじ向きのスピンをもち，お互いに公転

スピン・トリプレット超伝導

りますが，従来の超伝導体ではすべて，互いに逆向きのスピンの電子が対を作っています。ところが最近，同じ向きのスピンの電子対による画期的な超伝導体も見つかりました。これが｢スピン・トリプレット超伝導体｣と呼ばれるもので，ストロンチウムとルテニウ

16

﹁
新
し
い
﹂
物
理
学

量子力学

光を自在に曲げる。液体が「下から上へ」流れる・・・。20世紀には私たちの常識では計り知れない様々な物理現象が発明・発見されました。それは，木から落ちるリンゴを見て万有引力を発見したニュートンによる「古典物理学」とは全く異なる「新しい」物理学なのです。
「量子力学」といわれるこの新しい物理学の研究はまだ始まったばかり。無限の可能性を秘めた分野でもあります。

レーザー冷却原子のボース・アインシュタイン凝縮：巨視的量子現象の本質に迫る
レーザー冷却法を用いて，希薄原子気体のボース・アインシュタイン凝縮体を作り出すことができるようになりました。これを用いて巨視的量子現象が観測でき，量子力学の本質に迫る興味深い研究が展開されています。

ボース・アインシュタイ
ン凝縮とは？

ボース・アインシュタイ
ン凝縮の検出
ボース凝縮体にレーザー光を照射し，それをCCDカメラを用いて観察す

物
理

原
子
数
分
布

ることで，凝縮体がどのような空間分
布をしているかを測定することができ
高温：原子はランダムに熱運動をしてます。

速度大（負）

速度ゼロ

速度大

飛行時間法と組み合わせることで凝います。

縮体がどのような速度分布をしているかを知ることができます。上図の中央部分の非常に低速度（低温）の集団がボース凝縮体です。
低温：レーザー冷却法により低温になった原子では，波動性が顕著に表れます。

ボース・アインシュタイン凝縮を用いた様々な研究
レーザー冷却原子のボース凝縮体ます。また光との相互作用においては，レーザー光や磁場を用いて多様は，光の波の増幅と同様に，物質波に操作することが可能です。例えば，が増幅される効果が興味深い形で現磁場によって閉じ込めていた凝縮体

れます（超放射）。さらに，原子間相

極低温：さらに冷却されるとお互いを，自由空間に開放することができ，互作用を斥力から引力にスイッチし，の波が重なり合い，純粋に量子力学

これを原子レーザーと呼んでいます。

凝縮体が崩壊する現象（BOSENO-

的な相転移が起きます。これがボー

これは，原子の波がレーザー光のよVA) や格子状に並んだ多数の量子渦

ス・アインシュタイン凝縮(BEC)で

うに位相のそろった状態にあり，原生成など基礎から応用にいたる様々す。集団となって巨視的な量子現象

子リソグラフィーや原子を用いた干な分野で精力的に研究が進められてを起こします。

渉計など様々な応用が期待されていいます。

レーザー冷却原子のボース・アインシュタイン凝縮の成功
中性原子気体をレーザー光を用いて数マイクロケルビン程度の極低温に冷却することが可能になりました。このレーザー冷却法などを用いて，アルカ
リ原子や準安定状態のヘリウム原子，
水素原子のBECが達成されています。
日本でも数グループがBECに成功して
おり，活発に研究が行われています。
上：原子レーザー
右上：超放射右下：量子渦18

フォトニック結晶によって「光子」を操る
光は非常に速く，直進し，制御できないものと思われていることでしょう。
しかし今，光の速度を変え，物質中を思うままに曲げ，自在にあやつることが可能になりつつあります。そしてその先には「量子コンピュータ」という夢の光回路が見えてきました。

フォトニック結晶とは物
理

真空中では光子は光速で伝播し，物

フォトニック結晶は複数の誘電体をフォトニック結晶（Photonic crystal）

質中では屈折率の分だけ光速は遅くな

光の波長程度の周期で交互に積層したと呼ばれます。３Dでは，通常の結晶ります。通常，物質境界面での屈折現構造物であり，積層の次元により１次のように，面心立方格子やダイヤモン

象やプリズムは物質の屈折率の違いに元（1D），２次元（2D），３次元（3D）

ド格子等の構造が作成されています。

よって説明できます。ところがフォトニック結晶と呼ばれる物質中では，光1D

速を車の速度ぐらいに遅くしたり，高2D

3D

効率に光子を閉じ込めたり，自由自在に光子を操れる可能性のあることがわ
かってきました。

フォトニック結晶のしくみ

フォトニック結晶の中での不思議な現象

フォトニック結晶の大きな特徴の一

フォトニック結晶中では自由空間やつにフォトニックギャップ（Photonic

通常の物質中では実現できない，各種

bandgap ）の存在があげられます。自の新現象が期待されます。例えば，フ由空間（Free space )では，光の固有ォトニックバンドギャップの周波数領モードの状態密度D(ω)は光の角周波域に発光波長を持つような原子をフォ数をωに関して下図のように ω の依

トニック結晶中に入れておけば，光の存性がありますが，ある構造のフォト

自然放出を制御できる可能性がありまて上図にフォトニック結晶と光ファイ

ニック結晶中の状態密度は下図のようす。また，光の異常な伝播も期待されバーを組み合わせた新しいデバイスになり，光の固有モードの存在しないることから，異常に遅い光伝播やスー（フォトニックファイバー）を示して周波数領域が生じることがわかりま

パープリズムなどの新しい光学現象があります。白い部分はガラス，黒い部

す。これは，原子が規則的に配列した次々と発見されています。

分は物質が存在していない穴を表して

2

通常の結晶中において，電子のエネル

また，下図のように周期性の乱れいます。真ん中の大きい穴の上下方向

ギー準位にバンドギャップが生じる場（欠陥）を導入することで，非常に光に光が伝播しますが，フォトニック結合があるのと同様に波の回折・干渉現

電場強度が強い領域をつくることが可晶の性質から弱い光でも非線形な相互象の現れとして理解されます。

能になるために，同じ場所を光が巡回作用が生じて，赤色の振動数の光子がしつづける光の局在現象や高効率な非エネルギーのずっと大きい緑や青の光

線形光学現象が観測されています。そ子に変換されて，結果として白色光がういった非線形光学現象の応用例とし観測されています。

線欠陥
点欠陥

フォトニック結晶の展開
フォトニック結晶には，下記のような物理学の基礎分野への応用も考えられています。
●異常ラムシフトなどの電磁量子力学●高効率非線形光学現象●量子コンピュータ●超光速の有無の検証実験

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超流動
通常の物質は低温で固化しますが，ヘリウムのように軽い原子は低温で量子効果が顕著に現れ，常圧では絶対零度まで固化しません。さらに絶対零度近くでは超伝導に似た「超流動状態」になります。そこは量子力学が支配する世界です。

「上」に流れる不思議な物質

超流動ヘリウム3の渦を見る

ヘリウム4は2ケルビン程度で超流動

ヘリウム4の同位元素のヘリウム3もなったものなど，いろいろなタイプが状態になります。超流動状態は粘性が1/400 ケルビンという超低温度で超流あります。この量子渦を研究するにはなく，どのような狭い隙間も通ります。

動になります。超流動ヘリウム3の運実験装置自体を回転させないといけま

これは超伝導で電気抵抗がないのと似

動も量子力学で支配されます。そこにせん。現在，超低温で測定できる装置

できる渦は渦の強さ（循環と言います）

は東京大学物性研究所にしかありませがとびとびの値しかとれず，量子渦とん。そこでは超流動ヘリウム3の量子呼ばれます。量子渦には2個がペアに渦の構造を調べています。

超流動ヘリウム3の相図

超流動ヘリウム3のA相を狭い平行平板に入れた時にできることが期待されている渦ています。さらに壁をはい上がるなど，奇妙な性質を示します。これらは全て量子力学で説明されます。

超低温で発現する超流動ヘリウム3には複数の相物
理が存在します。相が違うとそこにできる渦の構造も違ってきます。

超流動ヘリウム3にできるとされている渦の計算結果
2つの渦が結合したもの(左)や芯のない渦(右)があります。

東京大学物性研究所にある回転クライオ
スタット
1秒間に1回転することができます。データを測超流動ヘリウム4の噴水効果

超流動ヘリウム3A相にできると期待されている芯のない Mermin-Hoの渦定する機器も同時に回転させます。

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