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| ACCUMU Vol.5 1993 |
| 知的生産工房 |
名古屋大学名誉教授
椙山女学園大学人間関係学部教授
福井 崇時 SHUJI FUKUI
宇宙線研究の始まり・研究者組織 １９４７年にイギリスのパウエル博士らは湯川理論が予言していた中間子を宇宙線中に見つけた。他にも色々な素粒子が宇宙線に含まれていることが判ってきた。この宇宙線を利用すれば原子核反応や素粒子の研究ができる，宇宙線は地球上どこにでも降ってきている，ＧＨＱは宇宙線の研究まで禁止していない，ということで１９４８年初め頃から原子核や素粒子研究者の一部は理研，阪大，大阪市大，神戸大などで宇宙線による研究を開始した。
物資や研究費が乏しい戦後の状況下で研究グループごとの考えを生かしながら全体として効率よく研究を進めるために検討し合う宇宙線研究者の全国組織が１９５０年に結成された。
共同利用研究所・集団討議 １９５１年に来日したローレンス博士（注1）の尽力もあってＧＨＱはこの年に原子核研究を許可した。６年間の就縛が解かれ１９５２年には理研，阪大，京大でサイクロトロンの再建が始まった。
一方，全国の原子核研究者の声が集約され大型サイクロトロンを中心施設とする共同利用研究所として１９５５年に東京大学付置の原子核研究所が田無市に建設されることが決まった。その研究所に宇宙線研究部門も含められた。サイクロトロンを使う原子核研究の進め方については原子核研究者の集団が考えた。
宇宙線研究の進め方については，１９５６年の早春，京都大学基礎物理学研究所の大教室に全国から理論，実験の宇宙線研究者が集まり約１週間侃侃諤諤口角泡を飛ばして論じた。研究者は自分自身がその研究所で研究をするのだという意気込みで色々な構想を出し議論が沸騰した。３人寄れば文殊の知恵と言うが大勢寄ったからお釈迦様の知恵が出たかどうか，多くの考え，発想が集約され全体の構想が決まった。
共同建設 それは，超高エネルギーの宇宙線が起す素粒子反応を統一の研究目的とした。研究手段の一つは巨大空気シャワー現象を種々の装置を動員して徹底的に調べる，もう一つはパウエル博士らが使った原子核乾板を作り気球や高山など上空で宇宙線を受け乾板内で起る素粒子反応を詳細に調べる，という決定である。そして研究所内外の研究者が共同して建設することとなった。
巨大空気シャワーというのは，地球へ飛び込んで来る宇宙線中の高エネルギー素粒子が約４０km上空で原子核と衝突し，そのとき発生する粒子がさらに原子核と衝突する，これらの核衝突でできる中間子が地表に来る途中で電子とガンマー線に変わり，さらにこれらの電子とガンマー線はその数が鼠算的に増えシャワーのように集団となって地上に降ってくる現象である。空気中で起るので空気シャワーと名付けられその規模が大きいものを巨大空気シャワーと呼んだ。素粒子のエネルギーの低い高いによって電子とガンマ線の数は１万から１０００万個以上で，その集団は数１０ｍから数km以上に広がり，それぞれ１時間に十数回から数日に１回という割合で絶えず降ってきている。
意外な選択 この巨大空気シャワーの測定装置の一つとして，ホドスコープ・チェンバー（注２）という装置を私は当時大学院生だった宮本重徳さん（現大阪大学教授）と２人で製作することとなった。ネオンガスを封入したガラス球を５千個と高電圧パルス発生回路，写真撮影装置などを作る仕事である。
ホドスコープ・チェンバーはイタリアのマルチェロ・コンヴェルシ博士らが１９５５年に発明した装置である。それはネオンガスをつめたガラス管を並べて金属板で挟み，宇宙線など電気を帯びている粒子が通過したとき高電圧パルスを金属板に加えると，粒子が通ったガラス管内のネオンガスが放電する。これを写真に写すと放電したガラス管の像が粒子の飛跡として見える（図１）。
我々は先ずその装置自体の研究から始めねばならなかった。私は学生時代に原子スペクトルや気体放電の実験をした。気体放電は複雑な現象で解析も難しく，非常に厄介なものであることをよく知っていた。だから，研究生活を始める時に放電現象だけは研究したくない，できることなら絶対に関与しないと心に決めていた。それが，気体放電そのものに手を付けなくてはならぬ羽目になってしまった。
図１ ホドスコープ・チェンバーの原理図
端緒の無視 私達も敗戦の翌年から研究活動を始め偶然にもピサ大学のゴッチニさんと同じようにマグネトロンの発振機構を調べていた。レッヘル線上でアルゴン球を手で移動し強く光る所を波の腹，光らぬ所を波の節として電波の波長を測定した。アルゴン球はゴッチニさんが使ったネオン球と同じ用途の指示球である。我々はコンヴェルシ博士らと同じような経験をしていながら球内の放電には興味も関心も持たず専ら電波の波長測定だけに神経を集中していた。１９４７年のことであった。
端緒その２ もう一度チャンスを逃したがそれは省く。三度目の正直で自然の女神が微笑んだ。大阪大学でホドスコープ・チェンバーのテストをしていた１９５７年夏のことである。コンヴェルシ博士はガラス管内の放電の光が隣の管内に放電を誘発させないためガラス管を黒紙で巻き放電光を管軸の方向から写真に写していた。私達は管内でどのような放電が起っているのだろうかと，黒紙を巻かず裸のガラス管を横から写真に撮った。フィルムを現像し写っている像を見てびっくりした。管全体に放電が起っているが，宇宙線が通った所にひと際明るい放電が起っていた(図２)。この観測が放電箱(スパーク・チェンバー)開発の切っ掛けである。
図2 ホドスコープ・チェンバーのガラス管内の放電の様子を示す写真
スパーク・チェンバーその後 私達が最初に作ったスパーク・チェンバーは十数センチという小さなものだった。海外の研究所では直ちに大きなものが作られた。約１０年間１９７０年代前半まで世界の高エネルギー研究所で色々な大きさのスパーク・チェンバーがカウンター実験の中心装置であった。大きさ数メートル，重さ十数トンを越えるというものまで作られた。
１９７０年代半ば頃より実験データを計算機オンラインで即刻収集する方法が始まった。金属板の代わりに細い針金を一面に張り放電が起った針金に流れる電流をピックアップする方式にスパーク・チェンバーが改良された。しかし，スパーク・チェンバーはパルス高電圧で気体放電を起させるから瞬間の大電流による電気ノイズが計算機や電気回路に影響を与えるので研究者はノイズ除去対策に苦心していた。
シャルパクさんの発明 １９６８年にシャルパク博士らが発明した多心比例計数箱がスパーク・チェンバーに取って代わった。
シャルパク博士は気体放電が針金に近づくときに針金に誘導される電圧と遠ざかるときに誘導される電圧とは極性が反対であることに気づいた。
正または負の一方だけの電流パルスを増幅する回路を使い気体放電が針金に近づく場合か遠ざかる場合かを選別した。さらにシャルパク博士らは気体放電が大きく広がらないように４種類の気体を混合しシャルパクの魔法気体と呼ばれる微妙な成分比を決定した。
シャルパク博士らの装置は静かな気体放電だから電気ノイズを出すことなく１９７０年代半ばから装置の主流となり現在も実験の重要な中心装置として用いられている。
その功績で昨年シャルパク博士にノーベル物理学賞が授与された。
図３ 世界で初めてスパーク・チェンバーがとらえた宇宙線の飛跡を示す写真
フランチネッチ博士の話 私が１９６２年にヨーロッパ原子核研究所(CERN，セルン)に行き大型スパーク・チェンバーを使うニュートリノの実験に参加したときのことである。イタリアからも参加してきた１人にカルロ・フランチネッチ博士がいた。このフランチネッチ博士が話してくれた。
彼はその数年前にはガイガー・カウンターを改良する試みをしていた。粒子が通過したとき非常に早い電気パルスが出るように，２枚の金属板を２mm程の間隔で平行板電極としガラス管に封入しガスをつめたものである。
金属板を２mm程に近づけ電圧を加えると勝手に放電してしまう。このような放電が起らないようにするのは大変に困難な準備作業が必要であった。１９５０年代では金属板表面を滑らかにする技術，２mmという狭い間隔で正確に平行を保ってガラス管内に封入する技術は至難の技であった。だから研究者は本当に悪戦苦闘していた。
心にも時間にも余裕がない フランチネッチ博士はカウンター内の放電を眺めていて２枚の電極間に起る放電はことによると宇宙線が通過した所ではないかと思っていた。しかし，確認の実験はしなかった。彼は私達より早い時に，まさにスパーク・チェンバーへの展開ができる戸口に立っていた。彼は本当に悔やんでいた。
このガイガー・カウンター改良の試みは結局成功しなかった。数年間の悪戦苦闘は横道へ行く余裕を無くし，それでいて努力が実らなかったので悔やむ思いは大きいのだろう。
非常に早い着想 １９３４年，中性子が発見されてから２年目という年に彦坂さんは原子核について一連の研究を発表し，原子における電子のように原子核は中性子と陽子とで決まるエネルギー準位を持っていると主張した。そして１９３５年に世界の物理学会誌で最も権威がある米国のフィジカル・レヴュー誌に投稿した。当時は原子核といえば世界の最高権威者ニールス・ボーア博士が提唱していた液滴モデル以外の構造など考えられずほとんどすべての研究者はボーア博士の説を信奉していた。だから，彦坂論文の査読者は頭がおかしい論文だと言って掲載を拒否した。彦坂さんは研究結果には自信を持っていたので米国に反発する意地でドイツ語に書き直し東北帝大理科報告に発表した。残念なのはこの報告は外国ではほとんど読まれていなかった。彦坂論文は海外の研究者の目に触れることがなかった。
早過ぎた発想への大家の評価 １９３７年春ボーア博士が来日したとき，彦坂さんはボーア博士に直接話をしたが気が狂った男，クレイジーボーイ，だと彦坂論文の主張を完全に否定し彦坂さんを落胆させた。大家の言葉は非常な重みとなって彦坂さんに影響を与えた。またその時，ボーア博士は湯川先生の中間子論に対しても評価しなかったということである。
１９３９年に彦坂さんは山口高校教授となった。１９３４年に阪大菊池研究室ではコッククロフト・ウォルトン加速器が完成し中性子散乱実験が菊池正士教授のもとで精力的に行われていて世界の学会の注目を集めていた。１９４１年秋，内地留学で菊池研究室に来た彦坂さんは中性子の散乱断面積は原子核の種類によって大きく変化するという菊地先生らの実験結果を先の彦坂理論で説明した。実験と理論は驚くべき良い一致を示していた。
彦坂理論より２年前にフランスのエルサッサー博士が中性子陽子の数で原子核の性質に差があることを指摘しているが，後にノーベル賞を貰ったヴィグナー博士らは彦坂理論の３年後に彦坂さんと同じような考えの論文を発表した。
１９６３年にヴィグナー博士と共にノーベル賞を貰ったドイツのマイヤー女史とイェンゼン博士の研究は原子核は特定のエネルギー水準を持つという理論であり彦坂理論そのものであった。マイヤー博士らの研究はずっと後年だから勿論実験データが沢山あり色々な理論的研究も積み上げられた上での精密な理論で２０年近く前の彦坂理論の手法や計算と直接比較するのは公平ではない。研究者がまだ気付かぬときに出された彦坂さんの主張は完全に忘れられていた。
独創的先駆的研究をときの大家も従って学会もそれを正当に評価しようとしない。むしろ否定的に無視してしまうことが多い。
戦時下での彦坂さんのもう一つの発想 中性子実験に話を戻すと，太平洋戦争のため菊池先生達の折角の世界的な中性子散乱実験もその後の展開ができなくなった。
彦坂さんは１９４３年に第二高等学校教授となった。菊池先生からウラニウムよりエネルギーを取り出す可能性について検討するよう要請を受け彦坂さんは蘊蓄を傾けて考え，原理的に可能だという結果を得て１９４４年１１月に仁科博士や菊池先生ら原子核研究者が集まった学術研究会議原子核分科会で発表した。現在，高速増殖炉といわれている原子炉の原理とほとんど同じ内容だった。当時の乏しいデータによる計算だからさらに精密な実験データをとることが必要だということになり，敗色濃厚な日本では時間的な余裕が全く無いと，彦坂原子炉理論は日の目を見ないこととなった。
この論文は彦坂さんの学位論文として１９４５年５月に東北帝大に提出されたが７月の仙台空襲で焼失した。幸い手書きの写しが彦坂さんと共に数奇な旅順往復の旅をして１９５０年に再提出され学位が与えられた。彦坂さんはこの原子炉理論にも自信があったので戦争のため日本国内で手が付けられなかったことを大変残念に思っていた。
昨年はフェルミが原子炉を成功させて５０年目だったので，日本原子力学会が彦坂論文を復刻し機関誌に載せて彦坂さんの業績を顕彰した。しかし彦坂さんは既に１９８９年３月２７日に逝去され豊橋市老津町の太平寺に眠っておられる。
注２ ホドスコープ：ホド-hodoの語源はギリシア語のhodosで道，スコープ-scopeの語源はギリシア語のskopionで観測，という意味であって，通り道・軌跡・飛跡を観測する装置のこと。
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