小さな粒子を光速近くまで加速して衝突させます。研究者が物質の分子構造を調べるために使用できる非常に明るいフラッシュ。多くの人にとって、ハンブルク・バーレンフェルトにある DESY 研究施設で行われるプロセスは想像するのが難しいです。加速管を備えたこの施設は 1959 年 12 月 18 日に設立され、現在では物質を研究するための世界で最も重要な施設の 1 つとなっています。 DESY では、世界中の科学者が世界の基本的な構成要素を探し、タンパク質分子を解読したり、まったく新しい特性を持つ材料を分析したりしています。
1959年、ジークフリート・バルケ連邦大臣（左）とマックス・ブラウアーがハンブルクにDESYを設立する協定に署名。これは、最小粒子の研究において世界で最も重要な機関の 1 つに対する開始の合図でした。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エネルギーおよび水管理担当大臣ジークフリート バルケは、国家協定に署名しました。ハンブルク市庁舎で「ドイツ電子シンクロトロン財団」（略称DESY）を設立するための条約が締結されました。このプロジェクトは画期的です。当時、粒子加速器は米国を含むいくつかの国でしか利用できませんでした。このシステムには 1 億ドイツマルクの費用がかかると予想されており、その 90% は連邦省、10% はハンブルク市が負担します。
最小の粒子を求めて
しかし、なぜこれほどの努力をするのでしょうか？研究者らは、物質を構成する小さな構成要素がこれまで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ました。ある人は「粒子動物園」全体について語ります。 1950 年代の終わりから、ドイツの研究者たちは、 物質の最小構成要素を探したいと考えていました。 この施設はハンブルク バーレンフェルトに建設される予定で、かつては練兵場や軍事空港として使用されていた場所に建設されます。
1964:「素粒子動物園」での研究が始まる
この巨大な施設が稼働するには4年以上かかるだろう。 1964 年 2 月 25 日、真夜中少し前、ついにその時が来ました。数人の物理学者が新しい粒子加速器の制御室に詰めかけました。研究者たちは決定的なスイッチを押し、その直後に祝うことができます。電子の最初の流れが加速器の円形真空管の中を約 8,000 回飛び越えます。 DESYは間もなく正式に運用を開始します。電子はほぼ光の速度で管の中を走り、大きな電磁石が電子をその軌道に保ちます。研究者は、電子が十分なエネルギーを吸収したら、電子を正面衝突させます。衝突により、寿命の短い粒子、つまり物質の小さな構成要素が生成されます。検出器を使用すると、研究者がそれらを確認できるようになります。
DESY に続くさらなるアクセラレータ
現在でも研究施設全体にその名前を与えている加速器 DESY は、ほんの始まりにすぎません。数十年にわたってさらに多くの加速器が建設されました。それらは DORIS、PETRA、または HERA と呼ばれ、3.6 キロメートルのこの場所で最長の加速器リングです。現在、粒子加速器の開発、建設、運用は、素粒子物理学や光子を使った研究と並ぶ DESY の 3 つの主要研究分野の 1 つです。
グルーオン - DESY で発見
物質の内部構造の問題を扱う素粒子物理学は、3 つの研究分野の中で最も古いものです。研究者らは 1979 年にこの分野で特別な成功を収めました。PETRA では、科学者たちは初めてグルーオンを検出することができました。これはおそらく、これまで DESY で行われた最も有名な発見です。グルーオンは、いわゆる強い力の伝達粒子です。これは、重力、電磁力、いわゆる弱い力と並ぶ 4 つの基本的な自然力の 1 つです。比喩的に言えば、グルーオンは物質の粒子を結びつける一種の接着剤です。
光のフラッシュでナノワールドを探検
シンクロトロン放射光を使用して材料を X 線照射できます。たとえば、塗りつぶされていたゴッホの絵が再び見えるようになりました。現在の DESY の 3 番目の焦点は、光子、つまり光の粒子を使った研究です。電子が強く加速されると、そのエネルギーの一部が強い光線として放出されます。科学者は、このいわゆるシンクロトロン放射を使用して、ナノ世界についての洞察を得ることができ、たとえば分子構造を調べることができます。あるいは、さまざまな素材を「照らす」こともできます。たとえば、2008 年には、DORIS 加速器からの放射光を使用して、塗りつぶされていたゴッホの絵が再び見えるようになり、この研究の成功はメディアでも広く報道されました。
PETRA は現在、X 線源としても使用されています。 2009 年以来、科学者は PETRA III を使用して、硬くて非常に短波長の X 線の範囲の放射線を生成しています。この光は非常に強く、鮮明に焦点が合わされ、短いパルスで点滅します。研究者はこれを使用して、非常に小さなサンプルを調べることができます。生物学者は、たとえば、タンパク質結晶の原子構造を研究するためにこれを使用します。
フラッシュ - 超短い光のフラッシュ
自由電子レーザー FLASH では、線形加速器も 2005 年から DESY サイトで稼働しています。これは世界で初めて、極紫外領域から軟 X 線、つまり比較的長波の X 線までのフラッシュを生成します。
長さ 300 メートルのデッドストレート施設内の粒子は、旋回する代わりに、超伝導加速器によってほぼ光速に達し、電子を強制する数百対の磁石で構成される構造である「アンジュレーター」を通って誘導されます。スラロームコースで。粒子は超短く強い光のフラッシュを発します。とりわけ、化学反応など、非常に高速に実行されるプロセスを追跡するために使用できます。
FLASH 実験ホールと PETRA の測定ステーションはどちらも需要が高く、研究機関や企業からの世界中の問い合わせのうち、ごく一部しか対応できません。したがって、このシステムは 2020 年から新しい FLASH2020 システムに拡張される予定です。
ヨーロッパの XFEL:世界最長の X 線レーザー
2017 年に科学的運用が開始された欧州の 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ます。これは DESY で最も新しい施設であり、世界最大の X 線レーザーです。
X 線フラッシュの助けを借りて、研究者はウイルスや細胞の原子の詳細を解読し、化学反応を撮影し、ナノ宇宙、つまり細胞と分子の世界の 3 次元画像を撮影することができます。 3.4 キロメートルの直線加速管は、DESY サイトからシュレースヴィヒ ホルシュタイン州との州境の裏側まで地下を走り、実験ホールで終わります。この施設の資金調達には 12 か国が関与しており、その費用は約 12 億ユーロで、最大の資金提供者はドイツとロシアです。
ヒッグス粒子の軌跡
しかし、素粒子物理学は DESY にとって引き続き非常に重要です。ハンブルクに本拠を置く同社は、ジュネーブのCERN研究センターで、周囲27キロメートルの巨大なリング加速器である大型ハドロン衝突型加速器LHCの研究に携わっている。 2012 年、研究者らが長年探し求めていたヒッグス粒子を発見したのはそこでした。DESY は、特にヒッグス粒子をより詳しく調べることを目的とした線形加速器である将来のプロジェクトである国際リニアコライダー ILC にも関与しています。ただし、このプロジェクトが実施されるかどうかに関する最終決定はまだ保留中です。
永遠の氷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に、約 5,160 個のモジュールが深さ 2,450 メートルの透明な氷に埋め込まれました。DESY が関与するもう 1 つの壮大なプロジェクトは Icecube と呼ばれるもので、研究者らは南極の永遠の氷の深さ 2,450 メートルまで 5,000 台以上の検出器を挿入しました。いわゆるニュートリノを検出するための巨大な望遠鏡として機能します。これらの非常に軽い粒子は、通常、妨げられることなくすべての物質を通過するため、ゴースト粒子とも呼ばれます。それらが物質粒子と衝突することは非常にまれであり、この方法で観察することができます。南極では、研究者たちは太陽系からではなく、ブラックホールや超新星爆発から来るニュートリノを探しています。彼らはこれらの強力な宇宙の出来事に光を当てることができます。 2012 年と 2013 年の 2 回、研究者らは宇宙深部でこれらの高エネルギーニュートリノを検出することができました。
世界的に重要な研究センター
3 つの研究分野を擁する DESY は、現在、物質の構造と機能の研究において世界で最も重要なセンターの 1 つです。約 40 か国から約 3,000 人のゲスト科学者が加速器の助けを借りて、あらゆる多様性の小宇宙を研究しています。とりわけ、新しいナノ材料の挙動をテストしたり、分子間の重要なプロセスの過程を観察したりすることで、医薬品や新技術の開発に重要な洞察を提供します。