素 核 コ ー ス
● 演習課題P01 反粒子を捕まえて遊ぼう
〜最軽量原子ポジトロニウムを作ろう〜
担当教員 ： 首都大学東京 汲田 哲郎
協力大学 ： 東京工業大学
電子の反粒子である陽電子は、ベータプラス崩壊と呼ばれる原子核崩壊過程から容易に得ることができます。陽電子を利用して素粒子レベルの実験をお手軽に体験してみましょう。本演習では、陽電子と電子が準安定的に結合した「原子」ポジトロニウムを生成し、ガンマ線に崩壊する過程を観測します。そして、スピン状態によって崩壊過程が異なること、崩壊過程や寿命が量子電気力学で記述できることを学びます。
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● 演習課題P02 ワイヤー1本で素粒子をとらえる
〜素粒子・原子核実験の心臓部分「ワイヤーチェンバー」を作ろう〜
担当教員 ： 東北大学 金田 雅司
素粒子物理学の実験研究に1960年代後半に情報革命が起こりました。それまでは、放射線の通った軌跡を知るのに 放電を起こして写真を撮影するような方法しかありませんでした。しかし、G. Charpak の発明した Multi-Wire Proportional Chamberは電子回路と組み合わせることで短時間に大量のデータを 収集することを可能にしたのです。本演習では、その原理部分を製作し実際に測定を行います。
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● 演習課題P03 ミニ素粒子・原子核実験 〜ラドン検出器〜
担当教員 ： 筑波大学 江角 晋一
現在世界中で行われている多くの素粒子・原子核の実験では、高エネルギー衝突実験等により生成される放射線を測定する粒子検出器や電気回路等を用いて実験データを収集し、データ解析プログラム等により物理結果を得ます。この演習ではミニ実験装置を自ら製作し、そのような粒子検出、信号測定、データ解析の過程を実際に体験する事を目的とします。ラドンは空気中に存在し、私たちの日常の放射線被爆量の約半分はラドンを吸入することによると言われています。そのラドンを検出する高感度検出器とその信号読出回路を制作し、実際に測定し、データ解析を行い、その様々な性質を調べてみます。
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● 演習課題P04 磁気スペクトログラフ 〜磁場の中での荷電粒子の振る舞い〜
担当教員 ： 大阪大学 野海 博之
磁場によって電荷を持つ粒子の軌跡が曲がるというのは高校でも習うと思いますが、 実際に見たことはありますか？本演習では、運動量測定のための装置として、 磁場中の運動を利用する磁気スペクトロメーターを大型電磁石を用いて実際に構築し測定を行います。
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● 演習課題P05 高周波加速器の製作とレーザーによる電子生成
〜3Dプリンターで加速器を作ってレーザーで生成した電子を加速しよう〜
担当教員 ： KEK 加速器実験施設 吉田 光宏
素粒子・原子核実験に不可欠な装置として、荷電粒子の加速器があります。本演習では、実際に簡易な高周波電子加速器を3Dプリンターで製作し、レーザーで生成した電子ビームを実際に観測することで、加速器の空洞設計・電子源等の包括的なイメージを掴みます。
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● 演習課題P06 プランク定数を測ろう
担当教員 ： 大阪大学 岸本 忠史、阪口 篤志、吉田 斉
プランク定数は、光の粒子性と波動性を結びつける定数で、光速と並んで重要な物理の基本定数です。 このプランク定数を、金属板と針金だけでできた簡単な光電管を使って測ることができます。 ただし、どうやって測るかは教えません。自分たちで知恵を出し合って考え、工夫してください。それが実験です。
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● 演習課題P07 波と粒子の2重性 〜1光子の干渉〜
担当教員 ： 京都大学 石野 雅也
「１光子の干渉を測定する」ことで，量子力学の不思議さを体験してもらいます。自然現象の不思議を楽しみつつ、最新の光検出器を使いこなし、実験セットアップを組み立て、 データ解析までを体験して物理実験の基礎を身につけてもらおうと思います。
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● 演習課題P08 宇宙線ミューオンを捕まえて素粒子の対称性を調べよう
担当教員 ： 九州大学 東城 順治、吉岡 瑞樹
KEK素粒子原子核研究所 三原 智、三部 勉、上野 一樹
宇宙にはエネルギーの高い粒子が飛び交っています。その粒子を宇宙線と呼びます。宇宙線は地球にも降り注いでいて、素粒子のミューオンは手のひらに毎秒1個程度やって来ます。この演習課題では、宇宙線のミューオンを捕まえて、素粒子物理で重要な役割を担う弱い相互作用の対称性を調べます。
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物 生 コ ー ス
● 演習課題M01 チョコレート油脂の多形転移と品質制御
担当教員 ： 広島大学 上野 聡
KEK 物質構造科学研究所 山田 悟史
チョコレートはココアバター結晶のマトリクス中にカカオマス、砂糖、脱脂粉乳などが閉じ込められた構造をしており、チョコレートのなめらかさやスナップ性といった食感はココアバター結晶の物性に由来しています。ココアバター結晶は6種類の異なる結晶多形を形成することが知られており、V型と呼ばれる結晶は融点が33度と体温よりも若干低い程度の温度で、かつ高いスナップ性や光沢性を有した、チョコレートの用途に最も適した結晶型です。本演習課題では、チョコレートの品質について作成法による違いを確かめると共に、ココアバターの結晶構造との関連を調べるために融点測定やX線回折実験を行います。
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● 演習課題M02 タンパク質の形を見てみよう
担当教員 ： 千葉大学 村田 武士、名古屋市立大学 佐藤匡史、
KEK 物質構造科学研究所 松垣 直宏、加藤 龍一
生体内で生命現象を司るタンパク質の、結晶化から構造解析及び得られた構造の解釈まで行うことで、タンパク質の立体構造解析の流れを知るとともに、タンパク質の構造を知ることの重要性を理解します。できれば放射光の特徴であるハイスループット測定や精度の重要性、波長選択性を活かした構造解析などを体験して貰いたいです。
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● 演習課題M03 放射光イメージング 〜何が見えるのだろう？〜
担当教員 ： 東北大学 百生 敦
KEK 物質構造科学研究所 兵藤 一行、小野 寛太
放射光（X線）の試料内での吸収、散乱、位相変化などを利用することにより、可視光で見ることができない現象を非破壊で観察することができます。特に光の位相変化を用いたイメージング法により、ヒトの疾患の診断や治療に密接に結びつく情報を得ることも可能になりました。演習では、X線イメージングと同様の仕組みの可視光位相イメージング装置を自作し、空気の流れなど、私たちの目に見えない試料の可視化に取り組みます。
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● 演習課題M04 ダイヤモンドの窓から超高圧の世界を覗く
担当教員 ： NIMS 中野 智志
KEK 物質構造科学研究所 亀卦川 卓美
ダイヤモンドの窓とはダイヤモンドを使った超高圧発生装置（ダイヤモンドアンビルセル＝ＤＡＣ）のことです。この装置を用いて、数万気圧という驚異の世界を直接目にすることが出来ます。全ての物質に圧力を掛けて行くと、内部の原子や分子の間の距離が縮んで行きます。ある圧力でもっとエネルギー的に安定な状態が存在すると、物質はそちらの状態に移ります。気体が液体に、液体が固体に変わるのは良く知られていますが、同じ液体や固体の中でも圧力によって物質の性質や構造が大きく変化することが、圧力範囲の拡大によって明らかになって来ました。種々の物質をＤＡＣで加圧しながら光学顕微鏡でどの様な変化が起こるかを観察します。さらにその変化がどの様な内部の原子や分子の構造変化によってもたらされたのか、ラマン分光測定や放射光を用いたX線回折法によって解析します。
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● 演習課題M05 触媒が活性になる様子をその場観測しよう
担当教員 ： 慶応義塾大学 近藤 寛、吉田 真明
KEK 物質構造科学研究所 雨宮 健太、酒巻 真粧子
自動車の排気ガスには人間にとって有害な一酸化炭素や窒素酸化物などが含まれています。これらの有害なガスは触媒によって無害なものに変えられるが、その反応過程は未解明な部分が多いです。特に触媒は条件によって活性が変わるが、触媒が活性になるときに何が起きているかは興味深いです。この演習では、実際に触媒が動作している様子をガス成分のリアルタイム計測を通して調べ、触媒が高い活性を示しているときや不活性になったときに触媒に何が起きてるかを、触媒表面をその場観測することによって明らかにします。
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● 演習課題M06 質量分析器を組み立ててみよう
担当教員 ： 東京工業大学 河内 宣之、北島 昌史、穂坂 鋼一、
KEK 物質構造科学研究所 足立 純一
質量分析法は、物質の組成を分析する重要な手段の一つです。本演習では、質量分析器の組み立て、真空立ち上げ (測定槽内部に気体がほとんどない状態にすること)、レンズ系および検出器の調整を行なうことにより、質量分析法の原理・実験操作を理解し、実際に簡単な分子の質量分析スペクトルの測定を行います。また電子衝撃あるいは光励起による分子の電離過程および引き続く解離過程について考察を行います。
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