きりばこ(霧箱)のほそく(補足)だよ(宇宙線を見てみよう!)

飛行機雲(ひこうきぐも)

ここまでたどり着いてくれてありがとう。 たぶん、その日は、霧箱(きりばこ)覗いても、宇宙線(うちゅうせん)なのか、何なのか、一体何を見ているのか、良く分からなかった子も多かったと思う。

そのままだと、消化不良になっちゃうような気がするから、ここで、少し補足をしたいと思うよ。 すっきりしたら、また、見に来てね。

まず、下の動画(40秒)を見てみて欲しい(忙しい人は25秒から5秒だけ見て)。

どう、この動画では、何か見えたんじゃない?白い線。 それは恐らく宇宙線ではないんだけど(宇宙線はもう少し細い線)、霧箱で見えるというのは、どういうことか少し分かったと思う。 白い線になって、それがすぐ消える。そこには確かに何かがあったということなんだよ。 まず、そもそも、なんだけど、今、目の前の何も無い空間には、実は色々ある、というところから始めたいよ。

布(ぬの)の袋は簡単に潰(つぶ)せるけど、ナイロン袋は口を閉じてしまうと簡単には潰せないよね。 考えると、ちょっと不思議だよね。何もないんだから、潰れてもいいような・・・ でも、そこに空気があるから、潰れない。 何も無いと思っている空間に空気があるんだよね。

それから、ナイロン袋では捕まえられないけど、そこにありそうなものに、電波(でんぱ)もあるよね。 『アンテナ』という言葉を聞いたことがあるかな。 アンテナの仕組み(しくみ)はそれはそれで奥深(おくぶか)いけど、とにかく、アンテナで電波を捕まえることはできるよね。 屋根の上に見るアンテナでテレビの電波捕まえてるし、スマホの中にあるアンテナでデータの送受信してるよね。 見えないけど、やっぱり、目の前に電波っていうのがあるよね。

さて、そもそも宇宙線(うちゅうせん)って何?

そして、目の前の空間に、実は『宇宙線』というのもあるんだよね。 というか、そもそも『宇宙線を見てみよう!』って、言っても、宇宙線って何?って感じだよね。 簡単に言うと、宇宙を起源(きげん)にした、小さい粒子のことを言うんだよ。 宇宙のどこからか、小さい粒子(一次宇宙線)が飛んでくるんだよ。 で、地球の大気(たいき)で反応して、さらにたくさんの小さい粒子(二次宇宙線)が、この地上に注いでいるんだ。 一次宇宙線は、陽子(ようし)という粒子が多くて、二次宇宙線は、ミュー粒子という粒子が多いよ。 だから、今回の『宇宙線を見てみよう!』というのは、違う表現にすると、『ミュー粒子を見てみよう』と言い換えることもできるよ。 で、そのミュー粒子は、手のひらサイズを、だいたい1秒間に1個突き抜けてるんだよ。 上からも横からも。 霧箱は、横からの宇宙線を見ることができるので、見える頻度は1秒間に1個ではないよ。

[参考/さらに詳しく!]

宇宙線とは(名古屋大学 宇宙線研究部)

霧箱(きりばこ)!

だから『宇宙線を見る』ということは、ほとんど『ミュー粒子を見る』ということと同じなんだ。 で、今回は、そのミュー粒子を、霧箱っていうので見ようというわけ。

その原理(げんり)は、飛行機雲や白い息ができるのといっしょだよ。 雲や白い息は水滴の光の乱反射で白くなるよ。 冷たい空気に、温かい空気を送り込むと起きるね。 注意!冷たすぎる空気に温かい空気を送り込むとすぐに凍っちゃって白くならないよ。

これは、温かい状態では、たくさん水蒸気を含めるけど、冷たい状態に移すと水蒸気として含むことができなくなって、小さい水滴になってしまうんだ。 そして、その、水滴が光を乱反射して白くなるんだよ。

温かい空気は、たくさん水蒸気を保持できるよ。蒸し暑いは正しいよ。

冷たい空気は、あまり水蒸気を保持できないよ。だから、蒸し寒いは間違いだよ(笑

だけど、霧箱は、この蒸し寒い状態を無理やり作るよ!
下の方をキンキンに冷やして水蒸気が水になりやすい状態(過飽和状態)を作るんだよ。 だけど、まだ、水にならない、ギリギリのところを作る。 これは、まだ、白くはならないけど、何かきっかけがあれば、白くなる、っていう状態なんだ。

ここに『ミュー粒子』が飛んでくると、これがそのきっかけになる。 ミュー粒子は、電荷(電気)を持っていて、空気中の原子・分子をイオン化することができるんだ。 極性(きょくせい)を持つ水分子(みずぶんし)は、そのイオンめがけて集まって水滴になる。 この水滴が白く見えるんだよ。 ちょっと難しいけど、極性があるということは、電荷の偏りがあるということで、偏りがあると、プラスやマイナスに引き寄せられることになるよ。

そして、水蒸気よりも、より見やすい状態を作れるのが、エタノール(アルコール)ってだけ。 だから、霧箱ではエタノール蒸気を使ってる(そして、エタノール分子も極性を持っている)。

ミュー粒子は、空の上の方でできて、地上までやってくるから、霧箱の大きさくらいは簡単に突き抜けるよ。 だから、長い線になって見えるってわけ。 もちろん、霧箱を斜めに通り抜けると短くなる場合があるけど、短いと宇宙線と言うにはちょっと難しくなるんだよ。

なぜかというと、自然放射線・環境放射線と言って、物質中や空気中にも少しだけ、放射性物質が存在して、このような物質からも、やっぱり小さい粒子が出てきてるんだよ。 そういう小さな粒子が、やっぱり原子・分子をイオン化するから、同じように白い線を作るよ。 この小さな粒子の種類によって、見え方が少しづつ違うよ。

アルファ粒子というのは、電荷も質量が大きいから、太い線になりやすい。電子という粒子は、細いグニャグニャした線になりやすい。ガンマという粒子は、その粒子の通ったところに、電子という粒子のようなものが連続的に出やすい(ガンマは霧箱では見えないけど、電子が出たことで、ガンマ線がいたことの間接的に見ている)。

こういうのを除いて、宇宙線らしい線を探すといいね。 さて、今回、短い時間で、宇宙線らしい線を見ることできた? インターネットで検索して、霧箱の宇宙線の写真を見ることもできるけど、実際に見るのはまた違うよ。

実際に見るって凄くて、きれいな月や、おおきな山を見てその大きさや威容に感動するじゃない。 でも、写真になると、こんなものかな?というような写真になってしまう。 同じは同じなんだけど、何か違うような気がする。 だから、次回もまた、見に来てね(笑

[参考/さらに詳しく!]

霧箱の原理(名古屋大学 素粒子・宇宙物理系 基本粒子研究室)
自然放射線の飛跡(有限会社ラド)
宇宙線ミューオンを霧箱でキャッチする!(大人の科学.net)

[備考]

霧箱の動画は、有限会社ラドの戸田式電子冷却霧箱E-114を使用して合同会社SK-Softwareが撮影したものです。 ご覧頂きました通り、大変良く見えます。 興味の持った方用に、以下にリンクを貼っておきます。
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