光速近くまで加速された微小な粒子を正面衝突させる。超高度に輝く光の閃光で、物質の分子構造の奥深くを覗き込む。ハンブルク・バーレンフェルトにあるDESY研究施設で行われている研究は、多くの人にとって想像すら難しいものだろう。1959年12月18日に設立された巨大な加速器を持つこの研究施設は、今や物質研究における世界屈指の拠点となっている。世界中の科学者たちがDESYで、世界の根源的な構成要素を探し、タンパク質分子を解読し、まったく新しい特性を持つ素材を分析している。
1959年、連邦原子力・水資源大臣ジークフリート・バルケ(左)とハンブルク市長マックス・ブラウアーが、DESY設立協定に調印した。
設立の経緯――世界の素粒子研究への出発点
1959年12月18日、当時のハンブルク市長マックス・ブラウアーと連邦原子力・水資源大臣ジークフリート・バルケが、ハンブルク市庁舎において「ドイツ電子シンクロトロン財団」(略称DESY)の設立に関する国家条約に調印した。これは世界で最も重要な素粒子研究機関の一つとなるための発砲信号となった出来事である。当時、粒子加速器を持つ国は米国などごくわずかしかなく、このプロジェクトは極めて先駆的なものであった。総事業費は1億ドイツマルクと見込まれ、その90%を連邦政府が、残り10%をハンブルク市が負担することになった。
最小の粒子を求めて
では、なぜそれほどの大掛かりな取り組みが必要だったのか。研究者たちは、物質を構成する微小球体が従来考えられていたよりもはるかに多く存在することを発見していたのだ。いわば「粒子動物園」とも呼べる世界である。1950年代後半から、ドイツの研究者たちは物質の最小構成要素の探索を目指した。施設はハンブルク・バーレンフェルトに建設されることになった。かつて練兵場や軍用飛行場として使われていた土地である。
1964年:「粒子動物園」での研究が始まる
巨大施設が実際に稼働するまでには4年以上の歳月を要した。1964年2月25日の真夜中前、ついにその瞬間が訪れた。数名の物理学者が新しい粒子加速器の制御室に詰めかけ、決定的なスイッチを押したのである。ほどなくして研究者たちは祝賀に沸いた――最初の電子ビームが加速器の円形真空管内を約8,000周したのだ。まもなくDESYは正式に運転を開始した。電子はほぼ光速で管内を駆け抜け、大型電磁石がその軌道を維持する。研究者たちは、電子が十分なエネルギーを蓄えた時点で正面衝突させる。衝突によって生じるのは短寿命の粒子、すなわち物質の微小的な構成要素であり、それを検出器が研究者の目に見える形で捉える。
DESYに続く加速器群
現在も研究施設全体の名称となっている加速器DESYは、その第一歩にすぎなかった。その後数十年にわたり、さらに多くの加速器が建設されていった。DORIS、PETRA、そして全長3.6キロメートルを誇る敷地内最長の加速器リングHERAである。今日では、加速器の開発・建設・運転は、素粒子物理学、フォトン(光子)科学研究と並ぶDESYの三大研究分野の一つとなっている。
グルーオン――DESYで発見された「糊」
物質の内部構造を解明する素粒子物理学は、三つの研究分野の中で最も長い歴史を持つ。この分野で研究者たちが特に大きな成果を挙げたのが1979年のことだ。PETRAにおいて、科学者たちはグルーオンの初観測に成功した。これはおそらく、DESYでこれまでになされた発見の中で最も有名なものであろう。グルーオンはいわゆる「強い力」を伝達する粒子であり、重力、電磁気力、弱い力と並ぶ自然界の四つの基本力の一つに関わる存在である。比喩的に言えば、グルーオンとは物質の粒子同士を結びつける一種の「糊」のようなものなのだ。
光の閃光でナノの世界を探る
シンクロトロン放射を使えば材料の内部を可視化できる。例えば、上塗りによって隠れていたゴッホの絵画が再び姿を現した。
今日のDESYにおける第三の研究の柱が、光子、すなわち光の粒子を用いた研究である。電子を強力に加速すると、エネルギーの一部が強烈な光のビームとして放出される。科学者たちはこのいわゆるシンクロトロン放射を利用して、ナノスケールの世界への知見を得て、例えば分子構造を調べることができる。あるいは、さまざまな材料を「照らし出す」ことも可能だ。2008年には、DORIS加速器からのシンクロトロン放射を用いて、上塗りされて見えなくなっていたゴッホの絵画を再び可視化することに成功した。この研究成果はメディアでも広く報じられた。
PETRAは現在、X線光源としても活用されている。2009年以降、科学者たちはPETRA IIIを用いて、硬X線と呼ばれる非常に波長の短いX線領域の放射光を発生させている。この光は極めて強度が高く、鋭く集光され、短いパルスで発光するため、研究者はごく小さな試料を精密に調べることができる。生物学者たちはこれを活用し、例えばタンパク質結晶の原子構造の研究を行っている。
FLASH――超短時間の光フラッシュ
自由電子レーザーFLASHにより、2005年からはDESY敷地内で線形加速器も稼働している。これは世界で初めて、極端紫外域から軟X線(比較的波長の長いX線)にわたる光フラッシュを発生させた装置である。
全長300メートルの一直線の施設では、粒子は円を描く代わりに、超伝導加速器によってほぼ光速まで加速され、「アンジュレーター」と呼ばれる数百対の磁石からなる構造体を通過する。ここで電子はスラローム状の軌道を描かされ、超短時間かつ高強度の光フラッシュを放つ。これを利用すれば、化学反応のように極めて高速で進行する現象を追跡することができる。
FLASH実験棟およびPETRAの計測ステーションは世界的に需要が高く、世界中の研究機関や企業からの申請のごく一部しか受け入れられないのが現状だ。そのため、2020年からは新たなFLASH2020システムへの拡充が計画されている。
欧州XFEL:世界最長のX線レーザー
2017年に科学運転を開始した欧州X線自由電子レーザー「European XFEL」は、FLASHと同じ原理に基づいている。DESYの最新鋭の施設であり、世界最大のX線レーザーでもある。
このX線フラッシュを利用することで、研究者はウイルスや細胞の原子レベルの詳細を解読したり、化学反応を動画として捉えたり、細胞や分子の世界であるナノ宇宙の三次元画像を取得したりすることができる。全長3.4キロメートルの線形加速器チューブは地下を通り、DESY敷地からシュレスヴィヒ=ホルシュタイン州境の先まで延び、そこにある実験棟に至る。総事業費約12億ユーロのこの施設には12カ国が資金を提供しており、ドイツとロシアが最大の出資国である。
ヒッグス粒子の軌跡を追って
一方、素粒子物理学は今もなおDESYにとって極めて重要な位置を占めている。DESYは、ジュネーブのCERN研究センターにある全周27キロメートルの巨大リング加速器LHC(大型ハドロン衝突型加速器)の研究にも参画している。2012年、長らく探し求められてきたヒッグス粒子がここで発見されたのである。さらにDESYは将来プロジェクトである国際リニアコライダー(ILC)にも関与している。これはヒッグス粒子をより詳細に調べることを目的とした線形加速器だが、本プロジェクトを実施するかどうかの最終決定は依然として下されていない。
氷河の中のゴースト粒子
いわゆるニュートリノを検出するため、約5,160個のモジュールが最大2,450メートルの深さの透明な氷の中に埋め込まれた。
DESYが参画するもう一つの壮大なプロジェクトが「アイスキューブ(IceCube)」である。研究者たちは南極の氷河の中に5,000基以上の検出器を最大2,450メートルの深さまで埋め込んだ。これは巨大な望遠鏡として機能し、いわゆるニュートリノを検出するためのものである。この極めて軽い粒子は通常、あらゆる物質を何の妨げもなく貫通して飛んでいくため、「ゴースト粒子(幽霊粒子)」とも呼ばれる。ごく稀に物質の粒子と衝突することがあり、その際に初めて観測が可能となる。南極では、太陽系ではなくブラックホールや超新星爆発由来のニュートリノを研究者たちは探している。これらの粒子は、こうした強力な宇宙的現象の解明につながる手がかりとなる。研究者たちは2012年と2013年の二度にわたり、宇宙の深淵からやってくる高エネルギーニュートリノの検出に成功した。
世界的規模を誇る研究センター
三つの研究分野を擁するDESYは、今日では物質の構造と機能を研究するうえで世界最重要のセンターの一つとなっている。約40カ国からおよそ3,000人の客員科学者が集まり、加速器の力を借りてミクロの世界の多様な姿を研究している。例えば革新的なナノ材料の挙動の試験や、分子間で起こる生命活動の過程の観察などを通じて、医薬品や新技術の開発に不可欠な知見を提供しているのである。