ブルーノ・ロッシ

ブルーノ・ロッシ
生まれる	ブルーノ・ベネデット・ロッシ ( 1905-04-13 )1905年4月13日 ヴェネツィア、イタリア
死亡	1993年11月21日(1993-11-21)（享年88歳） 米国マサチューセッツ州ケンブリッジ
休憩所	サン・ミニアート・アル・モンテ墓地、フィレンツェ
国籍	イタリア語
市民権	イタリア （1943年以降）アメリカ
母校	ボローニャ大学
配偶者	ノラ・ロンブローゾ ​ （ 1938年生まれ）
子供たち	3
受賞歴	エリオット・クレソン賞 （1974年） アメリカ国家科学賞 （1983年） ウルフ物理学賞 （1987年） マテウチ賞 （1991年）
科学者としてのキャリア
機関	フィレンツェ大学 パドヴァ大学 マンチェスター 大学 シカゴ 大学 コーネル 大学 マサチューセッツ工科大学 パレルモ大学
博士課程の指導教員	キリノ・マヨラナ
博士課程の学生	ジュゼッペ・オッキアリーニ ケネス・グライゼン マシュー ・サンズ バーナード ・グレゴリー ジョージ ・W・クラーク ヤシュ・パル
サイン

ブルーノ・ベネデット・ロッシ（/ ˈ r ɒ s i / ROSS -ee、イタリア語: [ˈbruːno beneˈdetto ˈrossi] ; 1905年4月13日 - 1993年11月21日）は、イタリア系アメリカ人の実験物理学者。素粒子物理学と宇宙線の研究に多大な貢献をした。1927年にボローニャ大学を卒業したロッシは、宇宙線に興味を持つようになった。宇宙線を研究するために、改良された電子同時計数回路を発明し、エリトリアに渡って実験を行い、西からの宇宙線の強度が東からの宇宙線の強度よりも大幅に大きいことを明らかにした。

1938年10月、イタリアの人種法により国外への移住を余儀なくされたロッシはデンマークに移住し、ニールス・ボーアとともに働いた。その後イギリスに渡り、マンチェスター大学でパトリック・ブラケットとともに働いた。最後にアメリカに渡り、シカゴ大学でエンリコ・フェルミとともに働き、その後コーネル大学で働いた。ロッシはアメリカに留まり、アメリカ国籍を取得した。

第二次世界大戦中、ロッシはMIT放射線研究所でレーダーの研究に携わり、マンハッタン計画ではロスアラモス研究所でRaLa実験を実施したグループを率いて極めて重要な役割を果たした。戦後、彼はMITのジェロルド・ザカリアスに採用され、そこで戦前の宇宙線の研究を継続した。

1960年代、彼はX線天文学と宇宙プラズマ物理学の先駆者となった。エクスプローラー10号に搭載された彼の機器は磁気圏界面を検出し、太陽系外初のX線源であるスコーピウスX-1を発見するロケット実験を開始した。

ロッシはイタリアのヴェネツィアでユダヤ人一家に生まれた。彼はリノ・ロッシとリナ・ミネルビの3人息子の長男だった。彼の父親は電気技師で、ヴェネツィアの電化に携わった。ロッシは14歳まで家庭教師をつけ、その後ヴェネツィアのジンナジオとリセオに通った。^[1]パドヴァ大学で大学生活を始めた後、彼はボローニャ大学で上級研究を行い、1927年に物理学の学位を取得した。 ^[2]彼の論文指導教官はキリノ・マヨラナで^[3]、彼は著名な実験家で物理学者エットーレ・マヨラナの叔父であった。^[4]

1928年、ロッシはフィレンツェ大学で、 1920年に同大学の物理学研究所を設立したアントニオ・ガルバッソの助手としてキャリアを始めた。 ^[5]この研究所は市街地を見下ろす丘の上のアルチェトリにあった。ロッシが着任したとき、ガルバッソはベニート・ムッソリーニのイタリアのファシスト政権によってフィレンツェの最高責任者に任命されていた。 ^{[6]しかし、彼はこの研究所に、}ローマに移る前のエンリコ・フェルミやフランコ・ラゼッティ、ジルベルト・ベルナルディーニ、エンリコ・ペルシコ、ジュリオ・ラカなど、一群の優秀な物理学者を連れてきた。^[5] 1929年、ロッシの最初の大学院生であるジュゼッペ・オッキアリーニが博士号を授与された。^[1]

先駆的な研究を求めて、ロッシは1911年と1912年にヴィクター・ヘスが有人気球飛行で発見した宇宙線に注目した。1929年にロッシは、金4.1センチメートル（1.6インチ）を貫通する荷電宇宙線粒子の発見について記述したヴァルター・ボーテとヴェルナー・コルホルスターの論文を読んだ。 ^[7]これは驚くべきことだった。当時知られていた最も貫通力のある荷電粒子は放射性崩壊による電子であり、金1ミリメートル未満しか貫通できなかったからだ。ロッシの言葉を借りれば、

それは、誰もまだ探検を始めていない、謎に満ちた、予想もしなかった世界の存在を明らかにする閃光のように現れました。すぐに、その探検に参加することが私の圧倒的な野心になりました。^[8]

1954年、ボーテは1924年以前に実施した同時発生イベントの評価法に対して「同時発生法とそれによる発見」によりノーベル物理学賞を受賞した。しかし、この方法の実施は、撮影したパルスの視覚的な相関を必要とするため、非常に面倒であった。コルヘルスターと論文を読み合わせた数週間以内に、ロッシは三極真空管を利用した改良型電子同時発生回路を発明した。^[9]ロッシ同時発生回路には、非常に正確な時間分解能と、任意の数のパルス源間の同時発生を検出できるという2つの大きな利点がある。これらの機能により、複数のカウンタで同時発生パルスを生成する興味深いイベントを特定することができる。これらのまれなイベントは、個々のカウンタで無関係な背景パルスの割合が高い場合でも目立ちます。この回路は原子核物理学や素粒子物理学における電子計測の基礎となっただけでなく、現代の電子機器に広く普及しているデジタルロジックの基本要素である最初の電子AND回路を実装しました。^{[1] [10]}

当時、ハンス・ガイガーが1908年に発明したオリジナルのガイガーカウンターの改良版である管状バージョンが、彼の学生ヴァルター・ミュラーによって開発されたばかりだった。これらのガイガー・ミュラー管（GM管またはカウンター）によって、ボーテの研究が可能になった。GM管の構築におけるオッキアリーニの協力と実用的なコインシデンス回路の助けにより、ロッシはボーテの結果を確認し、拡張した。ボーテはロッシを1930年の夏にベルリンに招待した。ここで、ガルバッソが手配した資金援助を受けて、ロッシは宇宙線の浸透に関するさらなる研究に協力した。彼はまた、地球の磁場における荷電粒子の軌道に関するカール・シュテルマーの数学的記述を研究した。^[11]これらの研究に基づいて、彼は東方向から来る宇宙線の強度が西方向から来る宇宙線の強度と異なる可能性があることを認識した。ベルリンから、彼はこの東西効果の観測によって宇宙線が荷電粒子であることを確認できるだけでなく、その電荷の符号も決定できることを示唆する最初の論文を提出した。^[12]

1931 年秋、フェルミとオルソ・マリオ・コルビーノはローマで原子物理学に関する国際会議を開催した。この会議はイタリア王立アカデミーが後援した。フェルミはロッシを招き、宇宙線に関する入門講演をさせた。聴衆の中には、ロバート・ミリカンとアーサー・コンプトンがいた。2 人とも 1923 年と 1927 年にノーベル物理学賞を受賞した。^[1] 1920 年代、油滴実験で有名なミリカンは、ヘスが発見した謎の放射線を広範囲に測定し、宇宙線という名前を考案し、宇宙線は星間空間での水素の融合によって生成された光子であると提唱した。観測された宇宙線のほとんどが高エネルギーの荷電粒子であるという証拠が提示されたことに、彼は満足しなかった。後にロッシは次のように書いている。

ミリカンは、自分の愛する理論が単なる若者によって粉々にされたことに明らかに憤慨し、その瞬間から私の存在を認めようとしなくなった。（今にして思えば、私はもっと気の利いたプレゼンテーションをすべきだったと認めざるを得ない。）^[13]

コンプトン効果で有名なコンプトンはより肯定的な反応を示し、後にロッシに、この講演が宇宙線に関する自身の研究を始めるきっかけになったと語った。^[13]

ローマ会議の直後、ロッシは宇宙線に関する理解を大きく前進させる2つの実験を行った。どちらも3台のガイガーカウンターからのパルスを3回同時計測する実験であったが、最初の実験ではカウンターが一列に並び鉛のブロックで隔てられ、2番目の実験ではカウンターが三角形に配置され、直線で移動する単一の粒子が3台すべてを横切ることはできなかった。最初の実験の結果は、1メートル（3フィート3インチ）の鉛を貫通できる宇宙線粒子の存在を実証した。^[14]

2 番目の構成を鉛の箱に閉じ込めた結果、一部の宇宙線が鉛の中で相互作用して複数の二次粒子を生成することがわかった。2 番目の実験の延長で、彼は計数器の上にある鉛の量の関数として三重同時発生率を測定した。厚さに対するこの率のグラフは、後にロッシ曲線として知られるようになったが、鉛層が厚くなるにつれて急激に上昇し、その後ゆっくりと減少する傾向を示した。^[15]これらの実験により、地上レベルの宇宙線は 2 つの要素で構成されていることがわかった。1 つは「ソフト」な要素で、複数の粒子イベントを大量に生成することができ、もう 1 つは「ハード」な要素で、厚い鉛を横切ることができる。当時、両方の物理的性質は謎であった。核物理学と素粒子物理学に関する知識の蓄積にまだ当てはまらなかったためである。^{[1] [16]}

1931年後半、ロッシはオッキアリーニがベルリンで知り合ったパトリック・ブラケットとともにケンブリッジ大学のキャベンディッシュ研究所で研究できるよう手配した。 ^[17]オッキアリーニは電子同時計数法という新しい技術の助けを借りて、ブラケットが初のカウンター制御霧箱を開発するのを手伝い、カール・アンダーソンの陽電子の発見を確認し^{[18] 、正電子は負電子と}対生成によって生成されることを推論した。^[19]いくつかの事象では最大23個の正電子と負電子が観測されたが、これは明らかにロッシのソフトコンポーネントのシャワーに関連していた。^[20]

1932年、ロッシはイタリアの大学の学術職をめぐる競争に勝ち、パドヴァ大学の実験物理学教授に任命された。ロッシが着任して間もなく、学長は彼にパドヴァの新しい物理学研究所の設計と建設を監督するよう依頼した。この仕事は彼の研究と教育の注意をそらすものであったが、彼は喜んで従い、研究所は1937年に開設された。^[21]

このような妨害にもかかわらず、ロッシは1933年に、アルチェトリを去る前に始めていた東西効果に関する実験を完了することができた。この効果は赤道付近でより顕著であるため、彼は当時北緯15度にあった紅海沿岸のイタリア植民地であったエリトリアのアスマラへの遠征を組織した。 ^[22]彼はセルジオ・デ・ベネデッティと共に^[23] 、 「宇宙線望遠鏡」を設置した。これは2つの別々のGMカウンターを一致させて構成され、その最大感度軸はどの方向にも向けることができるものであった。すぐに西からの宇宙線の強度が東からのそれよりもかなり大きいことが明らかになった。これは、負の一次粒子よりも正の一次粒子の流入が多いことを意味していた。当時、この結果は驚くべきものであった。なぜなら、ほとんどの研究者は一次粒子は負の電子であるという先入観を持っていたからである。^[1]

ロッシがエリトリアを去った直後、彼は同様の東西効果の観測に関するニュースを2件受け取った。これらはフィジカル・レビュー誌に掲載された。1件はトーマス・H・ジョンソンによるもので^[24]、もう1件はコンプトンと彼の学生ルイス・アルバレスによるもので、メキシコシティ（北緯19度）での観測結果を報告した。 ^[25] 1930年に彼が考案した重要なアイデアは、すでに他の研究者によって実験的に初めて利用されていたため、ロッシは失望したが、パドヴァに帰国後すぐに結果を発表した。^[26]その後、フレデリック・C・クローミーとともに、アルバレスとロッシは宇宙線望遠鏡を利用した「垂直測定装置」の特許を取得した。^[27]

エリトリアでロッシは、戦後の宇宙線研究の主要テーマとなる別の現象を発見した。それは、広範囲にわたる宇宙線空気シャワーである。この発見は、検出器のガイガーカウンター間の偶然の一致率を測定するテスト中に起こった。単一の粒子がカウンターを作動させないようにするため、カウンターを水平方向に広げた。この配置では、一致の頻度は、個々の率と一致回路の分解時間に基づいて計算された頻度よりも高かった。ロッシは次のように結論付けた。

... 時折、記録装置に非常に広範囲の粒子のシャワーが降り注ぎ、互いに離れた場所に設置された計数器間でも一致が起こります。^[1]

1937年、ロッシはパレルモ大学の生理学教授ウーゴ・ロンブローゾとシルビア・フォルティの娘、ノラ・ロンブローゾと知り合った。彼女の祖父は著名な医師で犯罪学者のチェーザレ・ロンブローゾであり、叔母のジーナ・ロンブローゾとパオラ・ロンブローゾ・カラーラはイタリアの著名な作家で教育者であった。1938年4月、ブルーノとノラは結婚し、パドヴァに家庭を構えた。^{[1] [28]}

ロッシは政治を避けていたが、彼の仲間の中にはファシスト国家に積極的に反対する者もいた。例えば、彼はパドヴァで学位を取得しながら共産党員となったエウジェニオ・クリエルを指導した。その後、1943年にクリエルはミラノのレジスタンスに参加し、1945年にドイツの傀儡国家サロ共和国の兵士に暗殺された。同様に、 1938年にロッシの下でラウレアを授与されたエットーレ・パンチーニは、戦時中は宇宙線研究とパドヴァやヴェネツィアのイタリアレジスタンス運動への積極的な参加を交互に行っていた。^[29]

これらのつながりと、ロッシ夫妻がユダヤ人だったことから、ナチスドイツの影響下でイタリアの反ユダヤ主義が強まると、二人は不安を抱くようになった。結局、人種宣言による反ユダヤ法の制定により、ロッシは教授職を解かれた。^[30]ロッシは次のように語っている。

結局、1938年9月に、私はもはや母国の国民ではないこと、そしてイタリアにおける教師および科学者としての私の活動が終わったことを知りました。^[31]

この挫折から、^[32]ロッシはキャリアの重要な段階に入りました。彼はこの時期を回想録「『メソトロン』の崩壊（1939-1943年）：無垢の時代の実験的素粒子物理学」にまとめ、1980年にフェルミ国立加速器研究所のシンポジウムで発表しました。 ^[33] 1938年10月12日、ロッシ夫妻はデンマークの物理学者ニールス・ボーアに招かれてコペンハーゲンに向かいました。ロッシ夫妻はイタリアに戻るつもりはなく、ボーアは一流の物理学者が出席する会議を後援することで、より安定した職探しを支援しました。ボーアはどちらかがロッシに仕事を見つけてくれることを期待し、間もなくロッシはマンチェスター大学に来るよう招待されました。そこではブラケットが宇宙線研究の主要なセンターを開発していました。デンマークで2か月間快適に過ごした後、ロッシとノラはマンチェスターに到着しました。^[34]

ロッシのマンチェスター滞在は短かったが、実り多いものだった。このとき、ソフト成分についての明確な理解が得られていた。1934年、ハンス・ベーテとヴァルター・ハイトラーは、高エネルギー光子による電子陽電子対の生成だけでなく、高エネルギー電子と陽電子による光子の生成についても^定量的な記述を発表した[35] 。^[36]マンチェスターでは、ロッシはルートヴィヒ・ヤノッシと共同で、まだ完全には確認されていなかった第2過程のベーテ・ハイトラー理論の正しさを実証する実験を行った。^{[37]この実験では、}反同時発生の技術も導入され、これは高エネルギー粒子の検出と分析のための機器の普遍的な特徴となった。^[1]

この時までに、霧箱観測によって、ハードコンポーネントの性質が明らかになっていた。1936年、アンダーソンと彼の学生セス・ネッダーマイヤーは、電子と陽子の中間の質量を持つ宇宙線粒子を発見し、^[38]アンダーソンはこれを「メソトロン」と呼んだ。メソトロンはその後、「μ中間子」として知られるようになり、^[39]短縮されて「ミューオン」となった。^[1]コペンハーゲン会議の直前、ブラケットは、大気温度による宇宙線強度の観測された変化は、メソトロンが不安定であることを示している可能性があると示唆し、^[40]この件についてロッシと激しい議論を行った。その結果、ロッシはマンチェスターを去り、メソトロンの崩壊を確認し、寿命を測定することを決意した。^[33]

ヨーロッパに戦争の影が迫っていたため、ブラケットらはロッシにイギリスを離れるよう助言した。その結果、ロッシはコンプトンに手紙を書き、シカゴで開催される夏のシンポジウムに出席するよう誘われ、仕事が見つかるかもしれないとほのめかした。1939年6月、ロッシ夫妻はニューヨークに向けて出航し、そこでフェルミ夫妻と妻のローラに迎えられた。フェルミ夫妻も人種法のためにイタリアを去っていた。フェルミ夫妻と短い再会をした後、ロッシ夫妻はベーテからシカゴまで車で送ってもらうよう提案された。彼らはありがたく受け入れ、1939年6月中旬にシカゴ大学に到着した^。[41]

メソトロン不安定性に関するシンポジウムで、より決定的な観測が必要であるとの合意に達した直後、ロッシとコンプトンは実験の計画を開始した。高度が上がるにつれて硬質成分の強度が増すのに対し、空気の密度は減少するため、コンプトンはコロラド州のブルースカイ山で調査を行うよう提案した。コンプトンは1930年代初頭にそこで研究を行っていたが、標高4,310メートル (14,140フィート) にある研究施設へのアクセスは、北米で最も標高の高い舗装道路であるブルースカイ山シーニックバイウェイから提供されている。コンプトンはロッシに、その夏、雪で道路が塞がれる前に一連の実験を始めるよう促し、協力を得るために友人のノーマン・ヒルベリーとJ・バートン・ホッグ^{[42] [43]}、そして学生のウィンストン・ボスティックに協力を求めた。ロッシと助手たちは急いで機材を組み立て、コンプトンが動物学部から借りた老朽化したバスに積み込んだ。^[33]

この時までに、メソトロンがエネルギーを失う主な過程はイオン化エネルギー損失であることがわかっていた。イオン化エネルギー損失はベーテの式で表され、通過する物質層の単位面積あたりの質量に比例する。これが唯一の過程であれば、固体物質層を通過するハードコンポーネントの強度は、同等の空気層の場合と同じ量だけ減少する。ロッシと彼の協力者は、大気中での減少は、対応する固体炭素層の場合よりも大幅に大きいことを発見した。空気中の移動距離は炭素中の移動距離よりもはるかに大きいため、彼らはこの結果をメソトロンの崩壊の証拠と解釈し、相対論的時間の遅れの効果を考慮して、静止時の平均寿命をおよそ2マイクロ秒と推定した。^[44]

翌年の夏、ロッシはエバンス山に戻り、標高 3,230 メートル (10,600 フィート) のエコー湖の近くで実験を行った。反コインシデンス技術を使用することで、この装置は、平均運動量の異なる 2 つの中間子グループの崩壊前の平均自由行程を測定することを可能にした。デイビッド B. ホールと共同で発表された結果は、相対性理論に基づいて予想される粒子の運動量と崩壊前の中間子の平均自由行程の比例関係を確認しただけでなく、静止時の寿命の推定値も改善され、(2.4±0.3) マイクロ秒となった。^[45]これらの結果と前年の結果は、中間子が不安定であることを明確に示した最初の結果であるだけでなく、相対性理論によって予測された動く時計の時間の遅れを初めて実験的に確認したものでもあった。^[1]

シカゴでは、ロッシの研究員としての地位は永久的なものではなく、コンプトンも彼にもっと良い地位を確保できなかった。そのため、彼は職探しを始め、その間にコーネル大学でセミナーを行ったが、偶然にも物理学科に死去による欠員が生じた。ベーテがロッシをそのポストに招聘すべきだと提案した後、彼はコーネル大学の准教授に任命された。1940年の秋、コロラドからシカゴに戻った後、ロッシ夫妻はイサカに向けて出発した。^[46]

コーネル大学で、ロッシは最初のアメリカ人大学院生、ケネス・グライゼンと出会い、彼と共に「宇宙線理論」という論文を執筆した。この論文は現代物理学評論^[47]に掲載され、宇宙線研究者の間で「聖書」として知られるようになった。^[48] 1941 年の夏、グライゼンとデンバーおよびボルダーの物理学者たちはロッシとともにマウント・エバンスに行き、そこで中間子の運動量と崩壊前の寿命の比例関係に関する知識を洗練させた。^[49]グライゼンとロッシはまた、実験を行い、「聖書」に記録されたプロセスの観点から、ソフト成分のすべての粒子がハード成分の中間子によって生成されるわけではないことを示した。彼らはこれを一次電子または光子の証拠と解釈したが^[50] 、後にソフト過剰は中性パイ中間子の崩壊から生じることが明らかになった。^[1]

1941 年のコロラド遠征の後、ロッシは中間子が崩壊するかどうかという疑問に答えが出たと判断した。しかし、彼は寿命の決定精度に満足しなかった。なぜなら、既存の推定値は中間子の質量に依存していたが、その質量は正確にはわかっていなかったからである。より直接的な測定を行うために、彼は中間子が吸収体に到達してそこで止まり、中間子が崩壊して電子が放出されるまでの時間間隔を測定する装置を設計した。彼はその補助として大学院生のノリス・ネレソンの協力を得た。彼らの実験の中心は「クロノメーター」であった。これは、時間間隔に正確に比例する高さのパルスを生成する電子回路であり、オシロスコープのトレースを写真に撮ることで記録できるものであった。^[51]

これは最初の時間振幅変換器であり、実験物理学の電子技術に対するロッシのもう一つの貢献であった。鉛と真鍮の吸収体を用いて、崩壊回数を時間に対してプロットした。これらの崩壊曲線は通常の放射性物質の曲線と同じ指数関数的形状をしており、平均寿命は2.3±0.2マイクロ秒であったが、^[52]これは後に2.15±0.07マイクロ秒に改良された。^[53]戦後、ロッシはイタリア人の同僚であるマルチェロ・コンヴェルシとオレステ・ピッチオーニが彼と非常によく似た実験を行い、彼の結果と一致する寿命を測定したことを発見した。^{[54] [55]}

ロッシは「無垢の時代」と呼んだ時代を振り返り、次のように書いている。

素粒子物理学の基本的な問題に関係する結果が、ほとんど子供じみた単純な実験で、費用がわずか数千ドルで、大学院生1、2人の協力しか必要としないという実験によって達成できるなんて、どうして可能なのだろうか？^[33]

メソトロンの研究が完成すると、ロッシは戦争への関心を向けた。1942年、イサカからマサチューセッツ州ケンブリッジに通いながら、マサチューセッツ工科大学の放射線研究所でレーダー開発のコンサルタントになった。ここで、グライゼンとともに「距離追跡回路」を発明し、戦後に特許を取得した。^[56]

1943 年 7 月初旬、ベーテはロッシをマンハッタン計画に招いた。1 か月以内に、彼はロスアラモス研究所に赴任した。数週間後、ノラと 3 歳の娘フローレンスがニューメキシコ州ロスアラモスでロッシと合流した。研究所所長のロバート・オッペンハイマーは、原子爆弾の製造に必要な診断機器を開発するグループを結成するようロッシに依頼した。^[57]彼はすぐに、スイスの物理学者ハンス・H・シュタウブが率いる同様のミッションを持つグループがすでに存在していることに気づいた。2 人は、自分たちの取り組みを 1 つの「検出器グループ」に統合することを決定した。彼らは、約 20 人の若い研究者の支援を受けた。^[58]その中には、後にロッシのもとで博士号を取得した「電子の魔術師」マシュー・サンズや、シュタウブがスタンフォード大学から連れてきた粒子検出器の専門家デビッド・B・ニコデムスもいた。 ^[59]

爆弾の開発には、電離放射線の大型検出器が必要だった。その応答は検出器内で放出されるエネルギーに比例し、放射線強度の急激な変化に追従する。放射能に関する初期の研究から、放射線は電離の程度で測定されていたが、既存の電離箱は変化に対する応答が遅かった。この問題に対処するため、ロッシとシュタウブは、個々の荷電粒子が電離箱内でイオンを生成するときに生じるパルスを注意深く分析した。^{[60]彼らは、電離した原子から除去された自由電子の}移動度が高いため、単一粒子によって生成されるパルスは非常に短くなる可能性があることを認識した。ロッシは、ジェームズ・S・アレンとともに、電子移動度が高く電子付着が少ないガス混合物を発見した。^[61]これらの調査に基づいて、アレンとロッシは「高速電離箱」を発明し、戦後に特許を取得した。^[62]これはマンハッタン計画の成功の決定的な要因となり、戦後の素粒子物理学の研究で広く使用されるようになった。^[58]

1944年4月、マンハッタン計画は危機に陥った。エミリオ・セグレのグループが、原子炉で製造されたプルトニウムは「シンマン」のような銃型プルトニウム兵器には使えないことを発見したのだ。これを受けてオッペンハイマーは研究所を全面的に再編し、爆縮型兵器の開発に注力した。^[63]

ロッシは、様々な兵器の設計をテストし、正確に対称的な球状の爆縮を生み出す方法を見つけるために採用されました。^[64]テストでは、金属球が爆縮圧縮を受ける際のガンマ線の吸収の変化を測定しました。 ^[65]ガンマ線は、球の中心に配置された短寿命の放射性同位元素 ランタン140のペレットから放出されました。RaLa実験という用語は、 Ra dioactive La nthanumの短縮形です。圧縮が進むにつれて、吸収の急速な増加が、アセンブリの外側で記録されたガンマ線強度の減少として検出されました。^[66]

RaLa実験は、爆縮を成功させるまでの道のりに多くの落とし穴があることを明らかにした。^{[65]初期の爆縮設計を悩ませた問題のある}ジェットを理解するためには、他の試験方法が必要だったが、RaLa実験は爆発レンズの設計において主要な役割を果たした。ロスアラモス計画の歴史の中で、デイビッド・ホーキンスは「RaLaは最終的な爆弾設計に影響を与えた最も重要な実験となった」と書いている。^[67]

1945年7月16日、ニューメキシコ州アラモゴード近郊のトリニティ施設で爆縮型プルトニウム爆弾が爆発した。この装置のコード名は「ガジェット」で、その設計は24日後に長崎に投下されたファットマン兵器と非常によく似ていた。 ^[68]

トリニティの準備として、ロッシは連鎖反応中のガンマ線を記録するための計測機器を設計した。連鎖反応の持続時間は約10ナノ秒と予想されていた。この時間スケールでの観測は1945年当時の最先端の技術をほぼ超えていたが、ロッシは同軸電極がわずか1センチメートル（0.39インチ）の狭い隙間で隔てられていたため、応答速度が十分であった大きな円筒形の電離箱を設計・製作した。^[68]

信号を記録するために、彼はデュモント研究所からプロトタイプとして提供された非常に高速なオシロスコープを、ガジェットから数百フィート離れた地下バンカーに設置し、そこで写真を撮影した。信号をオシロスコープに運ぶために、彼は特大の同軸伝送線を考案した。その内部導体は、チャンバーからオシロスコープまで細くなっていた。この構成によりオシロスコープに到達する信号が強化されたため、増幅する必要がなかった。この驚くべき動作を確認するために、ロッシはハーバード大学のエドワード・パーセル教授に相談した。^{[68] [69]}

実験の数日後、ロッシはフェルミとともに暗室に入り、現像したばかりのフィルムが乾く前に、核活動の初期成長率を計算することができた。これは将来の兵器開発にとって重要な情報であった。トリニティでこの成長率を測定する試みは3回あったが、完全に成功したのはロッシの試みだけだった。^[70]

マンハッタン計画と放射線研究所の成功により、MITは米国政府の資金援助による「ビッグサイエンス」の新時代に入った。 ^{[71] MITの核物理学の拡大は、}ジェロルド・R・ザカリアスが先頭に立っていた。ザカリアスは戦争末期にロスアラモスに行き、ヴィキ・ワイスコフとロッシをMIT教授として採用した。^[72]ロッシは1946年2月6日にロスアラモスを離れ、ケンブリッジに向かった。 ^[73]

ザカリアスが率いる新しい原子核科学研究所で、ロッシはMITに宇宙線研究グループを作るよう任命された。その手助けとして、ロスアラモスで博士課程に在籍していたハーバート・ブリッジ、マシュー・サンズ、ロバート・トンプソン、ロバート・ウィリアムズの4人の若い科学者を採用した。放射線研究所にいたジョン・ティンロットとロバート・ハルサイザーの2人も彼と一緒に働くようになった。6人は全員、戦時中の研究経験を数年積んでいたため、一般的な大学院生よりも成熟していた。そのため、彼らにはポスドク研究員と同程度の給与が支払われた。これは海軍研究局から資金提供を受け、大学院在学中に家族を養うことができた。^[74]

ロッシは活動のこの新たな段階に向けて、アプローチを根本的に変えました。彼は次のように語っています。

新しいポジションでは、私の活動は過去数年とはまったく異なるものになるだろう。それまでは、一人で、あるいはせいぜい数人の学生の助けを借りて、機器を組み立て、それを使用する場所に持ち込み、測定を行い、結果を分析していた。しかし、今や私はグループ全体の責任を負っており、重要なのは私自身の仕事ではなく、グループの仕事だった。私の仕事は、私たちの手の届く範囲にある研究プログラムの中から最も有望なものを見つけ出し、機器の計画や実験結果の評価で支援が必要なところでは支援することだった。これらすべてを、研究者の個々の自発性を妨げずに行うことだった。^[75]

1947年のパイオンの発見により、新しい素粒子の探索は人気の研究テーマとなった。^[76]霧箱内で高速電離箱を操作することで、ハーバートは、そこで記録された電離バーストは主に比較的低エネルギーの宇宙線によって生成されたものであり、その核相互作用では通常、いくつかの重電離核破片が放出されることを示した。この効果に基づいて、彼とロッシは、これらの相互作用の挙動が浸透シャワーの挙動に似ていることを実証した。^{[77] [78]}

ロッシのグループは霧箱の使用に焦点を当て、霧箱の特性と相互作用を研究した。1948年、鉛板とアルミニウム板を交互に配置した多板霧箱の助けを借りて、グレゴリー、ロッシ、ティンロットは宇宙線相互作用の電磁気成分の源は主に電子ではなく高エネルギー光子であることを示した。^[79]この結果は、相互作用で中性パイオンが荷電パイオンとともに生成され、この成分はそれらが光子に急速に崩壊することによって生じるという1947年のオッペンハイマーの示唆を裏付けた。^[80]

新しい素粒子を研究するため、ブリッジとマーティン・アニスはエコー湖で大型の長方形の多板霧箱を操作した。^[81]この調査は、ロッシの指導の下、アニスが1951年に書いた博士論文の基礎となった。翌年、この著者らは、ロッシのもう一人の学生であるスタニスワフ・オルバートと共に、^[82]多重散乱の測定から粒子エネルギーに関する情報を導き出す方法を示した。これにより、霧箱を使用して素粒子の特性を測定する別の方法が追加された。^[83] 1953年初頭、ロッシはブリッジ、リチャード・サフォード、チャールズ・ペイルーと共に、カオンとして知られるようになった素粒子の包括的な霧箱研究の結果を発表した。^{[84]ペイルーは}エコール・ポリテクニークからの客員で、1947年にミューオンの質量の正確な値を取得しており、^[85]サフォードはロッシの学生だった。^[84]

1952年までに、さまざまな質量、崩壊方式、命名法、同定の信頼性など、素粒子の混乱を招く「動物園」が報告されました。この状況に対処するために、ブラケットとルプランス・リンゲは1953年にバニェール・ド・ビゴールで国際宇宙線会議を開催しました。 ^[86]ジェームズ・クロニンによると、「この会議は、 1927年のソルベイ会議と1948年のシェルター島会議という他の2つの有名な会議と同じカテゴリに位置付けられる重要性があります。」^[87]

ルプランス＝リンゲはロッシに、会議で発表された新しい情報の要約と、新しい粒子の命名法を提案するよう依頼した。会議の前に、後者の課題に応えて、ロッシは中性子より質量の小さい粒子は小文字のギリシャ文字で、質量の大きい粒子は大文字のギリシャ文字で表記するという提案を回覧した。1953年7月11日の講演で、彼はパウエルとフレッターの助けを借りてまとめた会議の結果^[88]がこの方式と一致しており、その後この方式が一般的に使用されるようになったと報告した^{[87] 。}

ハイライトは、ルプランス＝リンゲが閉会の辞で「将来は粒子加速器を使わなければならない」と宣言したことだった。ブルックヘブン国立研究所ではすでに 3 GeVコスモトロンが稼働しており、この宣言は参加者の総意を反映していた。^[87]その結果、ロッシのグループは霧箱実験を徐々に縮小し始めた。しかし、1954 年にブリッジ、ハンス・クーラント、ハーバート・デステーブラー・ジュニア、ロッシは、停止中の単一電荷粒子が 3 つの光子に崩壊し、そのエネルギーの合計が陽子の静止エネルギーを超えるという異常な現象を報告した。これは反陽子消滅の兆候である。^{[89] [90]}翌年、オーウェン・チェンバレンとエミリオ・セグレが率いるグループが反陽子を検出し、^[91] 1960 年にノーベル物理学賞を受賞した。^[92]

バニェール・ド・ビゴール会議の頃には、ロッシはすでに宇宙線現象、特に大気シャワーの天体物理学的意味合いに注目していた。エリトリアでロッシがこれらの現象の存在を認識した後、ピエール・オージェ^[93]やウィリアムズ^[94]によって広範囲に研究された。このとき、新たに開発されたシンチレーションカウンターの極めて高速な応答は、大気シャワーの構造を研究する新しい方法を提供した。これを行うために、ロッシは、1952年に博士号を取得した教え子のジョージ・W・クラークと、パドヴァ大学から来ていたピエロ・バッシの協力を得た。固体のシンチレーション物質が手に入らなかったため、彼らは効率的な液体シンチレーターであるベンジンに溶かしたテルフェニルを使用することを決定した。 1952年から1953年の冬にMIT物理学棟の屋上に設置された3つのカウンターの助けを借りて、彼らはシャワー粒子がシャワー軸の方向にほぼ光速で移動するディスクからわずか1〜2メートル以内に到達することを発見しました。^[95]

この結果は、シンチレーションカウンタが、広い範囲に広がる多数の検出器へのシャワーディスクの到着時間を決定するだけでなく、各検出器に当たる粒子の数を推定できることを示した。これらの機能は、シャワーの到着方向を決定する「高速タイミング」法と、シャワーのサイズと軸の位置を決定する密度サンプリング法を組み合わせたものである。^[96]

この進歩を受けて、ロッシのグループは大気シャワーの一次エネルギーと到来方向の両方を測定できる大規模な実験を開始した。この実験に参加したのは、ジョージ・クラーク、ウィリアム・クラウシャー、^[97] ジョン・リンズリー、ジェームズ・アール、フランク・シェルブである。クラウシャーは、ケネス・グライゼンのもとで博士号を取得した後、1949年にコーネル大学からMITにやって来た。ハーバード大学天文台の所長であったドナルド・メンゼル教授の支援を受けて、ロッシのグループは、天文台のアガシー観測所の森林地帯に、面積1平方メートル（11平方フィート）の液体シンチレーターを15台設置した。信号はケーブルでクォンセット小屋に運ばれ、そこで15台のオシログラフに表示され、写真に記録された。^[96]

実験が雨のデータを記録し始めて間もなく、雷がカウンターの1つに溜まっていた可燃性の液体に引火した。地元の消防士が、雨水に濡れていた近くの木々に火が燃え広がる前に、この火を素早く消火した。木々は、望遠鏡による観測の精度を低下させる大気の対流を抑制する上で重要な役割を果たしていたため、ハーバード大学とMITは緊迫した交渉を重ねたが、最終的には念入りな防火システムが設置され、実験の再開が許可された。^[96]火災の脅威を排除するため、クラーク、フランク・シェルブ、ウィリアム・B・スミスは、厚さ10センチメートル（3.9インチ）、直径約1メートル（3フィート3インチ）の不燃性プラスチックシンチレーターディスクを製造する「工場」を作った。^[98]

1956年の晩春にプラスチックに切り替えた後、実験は継続されました。その結果はNature ^[99]とPhysical Review ^[100]に報告されました。最も重要な結果はRossiによって次のように要約されています。

1. シャワー中心からの距離の関数としてシャワー粒子の密度を正確に測定します。
2. ^{10 15} 電子ボルトから10 ¹⁸ 電子ボルトまでのシャワーの原因となる一次粒子のエネルギー スペクトルの測定。
3. これらの粒子があらゆる方向から実質的に同数で到着することの証明。
4. ¹⁰¹⁹電子ボルトに近いエネルギーを持つ粒子の観測 。^[101]

アガシーの実験が終わりに近づくと、研究グループは、空気シャワーの到達方向がほぼ等方的であるという結論を拡張するには、赤道付近と南半球での観測が必要であることに気付いた。その結果、クラークはヴィクラム・サラバイと共同で、インドのコダイカナル（北緯10度）で小規模な実験を行い、異方性が存在しないことを確認した。 ^[102]その後、イスマエル・エスコバーの提案により、^[103]アガシーの装置は南緯16度のボリビア高原、標高4200メートルのエル・アルトに移された。ここでクラーク、エスコバー、フアン・ヘルシルは異方性を発見しなかったが、最大発達時の空気シャワーの構造は海面での構造とは異なることを示した。^[104]

アガシーの実験で記録された粒子の最大エネルギーである10 ^{19電子ボルトは、10 −5}ガウスの典型的な星間磁場では荷電粒子を銀河円盤 内に閉じ込めることができないエネルギーに近い。これらのエネルギーのシャワーを検出するには、非常に大きな寸法の検出器アレイが必要である。ジョン・リンズリーは、そのようなアレイの構築を引き受けることに同意した。^[96]彼はミネソタ大学から1954年にMITに移り、そこでエドワード・P・ネイの指導の下で博士号を取得した。間もなく、ロッシがミラノ大学のオッキアリーニのグループから採用したリヴィオ・スカルシが彼に加わった。^[105] 

ボストン近郊には十分な広さの空き地がなかったため、ニューメキシコ州アルバカーキの西約16マイル (26 km)、標高1,770メートル (5,810フィート)のボルケーノランチと呼ばれる半砂漠地帯にアレイが建設された。1957年から1958年にかけて、リンズリーとスカーシは19台のシンチレーションカウンタを配置した。これはアガシーの検出器と同様の蛍光プラスチックディスクを使用したが、各カウンタには4つの光電子増倍管で観測される4つのディスクが組み込まれていた。当初アレイの面積は2.5*10 ⁶  m ^{2で、アガシーの10 5}  m ²と比較されるが、1960年にスカーシがミラノに戻った後、リンズリーは検出器を10 ⁷  m ²の面積に広げた。^[96]

ボルケーノランチ実験の結果、宇宙線の強度は10 ¹⁷  - 10 ¹⁸ 電子ボルトのエネルギーで滑らかに減少することが示されました。^[106]また、この範囲の一次粒子は等方的に到達します。^{[107]特に重要なのは、10 20}電子ボルトのエネルギーを持つ単一粒子の検出です。このエネルギーは 、銀河の磁場によって銀河円盤に封じ込められる最大値よりも大きいです。^{[108]このエネルギーの粒子は、}銀河ハロー内または銀河の外からのみ発生し、その存在はグライゼン-ザツェピン-クズミン限界と一致しません。^[109]

1957年10月4日、ソ連は最初の人工衛星スプートニク1号を打ち上げた。この出来事がスプートニク危機の始まりとなり、驚いた米国民の間で「ヒステリーに近い波」が巻き起こった^[110]。^[110]これに対して、米国政府は国立科学財団への資金を増額し、1958年には米国航空宇宙局（NASA）と高等研究計画局（1972年に国防高等研究計画局（DARPA）に改名）を創設した。 ^[111] NASA創設法案が提出されてから2日後の1958年6月4日、米国科学アカデミーの会長デトレフ・W・ブロンクは、これら3つの機関の長と会談し、宇宙研究の拡大について助言し、基礎科学への資金提供が適切に重視されるようにするための新しい諮問機関、宇宙科学委員会を設立した。^[112]

委員会は1958年6月27日に最初の会合を開いた。宇宙研究に携わっていたのはロッシ、レオ・ゴールドバーグ、ジョン・シンプソン、ジェームズ・ヴァン・アレンの4人だけだった。^{[112]ロッシは}トーマス・ゴールド、フィリップ・モリソン、生物学者サルバドール・ルリアを含む小委員会を結成し、惑星間空間のプラズマの調査が望ましいことに同意した。その結果、ロッシはグループの努力をその研究に向けることを決めた。^{[113]ハーバート・ブリッジとともに、ロッシは古典的な}ファラデーカップをベースにしたプラズマプローブを設計し、テストした。しかし、正に帯電した陽子に対する機器の応答を強化し、太陽光によって生成される光電子に対する応答を抑制するために、カップ内に4つのグリッドが配置された。重要な革新は、グリッドの1つに適用される変調電圧であり、これにより信号が交流に変換され、陽子の流れに比例し、光電子の寄与によって汚染されなかった。^[114]

NASAの宇宙飛行計画副部長ホーマー・ニューウェルの熱心なロビー活動の末、ロッシは「ゴダード初の国産衛星」であるエクスプローラー10号の飛行機会を確保した。 ^[115]発表されていない目標は月への衝突だったが、1961年3月25日の打ち上げ後、衛星は地球の周りを非常に細長い軌道に乗せられ、その遠地点は月までの距離の70%であり、この目標には程遠かった。^[116]

それにもかかわらず、バッテリー電力が切れるまでにMITの探査機が記録した52時間のデータの中で、ロッシのグループは地球の周囲に2つの異なる領域間の遷移を発見した。地球の近くにはかなり強くてよく整った磁場があったが、惑星間陽子の兆候はなかった。地球半径の22倍のところで、探査機は磁場がより弱く不規則な領域に入り、太陽の方向から大量の陽子が飛んでくるのを観測した。残りの飛行中に何度かこの陽子の流れが消えて再び現れたが、これは探査機が2つの領域の境界付近を飛行しており、この境界が不規則に動いていることを示していた。^{[116]最終的にこの境界は}磁気圏界面として知られるようになった。^{[117] [118]}

ブリッジとロッシの指揮下で、MITの宇宙プラズマグループにはフランク・シェルブ、エドウィン・リヨン、アラン・ラザラス、アルベルト・ボネッティ、アルベルト・エジディ、ジョン・ベルチャー、そしてオッキアリーニの妻コンスタンス・ディルワースが所属していた。^[113]ファラデーカップは太陽系全体のプラズマに関するデータを収集してきた：OGO-1、OGO 3、IMP 8による地球近傍、[ ^119] WINDによる惑星間空間、そしてボイジャー1号とボイジャー2号によるヘリオスフィアとヘリオシース。^[120]

アメリカンサイエンスアンドエンジニアリング社のコンサルタントとして、ロッシは最初の太陽系外X線源であるスコーピウスX-1を発見したロケット実験を開始しました。^[121]ロッシは1966年にMITの研究所教授に任命されました。^[122]

ロッシは1970年にMITを退職した。1974年から1980年までパレルモ大学で教鞭をとった。退職後、彼はいくつかの研究論文を執筆し、1990年には自伝『ある科学者の生涯』をケンブリッジ大学出版局から出版した。1993年11月21日、彼はケンブリッジの自宅で心停止のため亡くなった。遺族には妻ノラ、娘フローレンスとリンダ、息子フランクがいた。 ^{[122]彼は火葬され、遺灰はフィレンツェとアルチェトリの丘を見下ろす}サン・ミニアート・アル・モンテ教会の墓地に埋葬された。^[123]

• X線天文学の発展に貢献した功績によりウルフ物理学賞（1987年） ^[123]
• アメリカ国家科学賞（1985年）^[123]
• アメリカ芸術科学アカデミーのラムフォード賞受賞（1976年）^[123]
• エリオット・クレソン賞（1974年）^[123]
• イタリア物理学会金メダル（1970年）^[123]
• パレルモ大学、ダーラム大学、シカゴ大学より名誉博士号^[123]

• アメリカ芸術科学アカデミー会員に選出（1948年）^[124]
• 米国科学アカデミー会員に選出（1950年）^[125]
• アメリカ哲学協会会員に選出（1959年）^[126]

• ロッシX線タイミングエクスプローラー、 1995年に打ち上げられたNASAの衛星X線観測所。^[127]
• アメリカ天文学会高エネルギー天体物理学部門ブルーノ・ロッシ賞。^[128]
• MITにはブルーノ・ロッシに敬意を表して名付けられた寄付講座があり、現在はクロード・R・カニザレス教授が務めている。^[129]

• ロッシ、ブルーノ (1952)。高エネルギー粒子。ニューヨーク：プレンティスホール。OCLC 289682  。
• ロッシ、ブルーノ（1964年）。『宇宙線』ニューヨーク：マグロウヒル。
• ロッシ、ブルーノ、S. オルバート (1970)。『宇宙物理学入門』ニューヨーク: マグロウヒル。
• ロッシ、ブルーノ（1990）。科学者の人生の瞬間。ケンブリッジ：ケンブリッジ大学出版局。ISBN 0-521-36439-6。
• ロッシ、ブルーノ (1957)。光学、マサチューセッツ州レディング：アディソンウェスレー。
• Rossi, Bruno (1959). 「高エネルギー宇宙線」. Sci. Am . 201 (5) (1959年11月発行): 135–46. Bibcode :1959SciAm.201e.134R. doi :10.1038/scientificamerican1159-134. PMID  14439229.