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ハーバート・ファセン・チェン | |
|---|---|
| 陈华生 | |
| 生まれる | 1942年3月16日 |
| 死亡 | 1987年11月7日（45歳） |
| 国籍 | アメリカ人 |
| 母校 | カリフォルニア工科大学( BS ) プリンストン大学( PhD ) |
| 配偶者 | キャサリン・リー（1969–1987） |
| 科学者としてのキャリア | |
| フィールド | 素粒子物理学 |
| 機関 | カリフォルニア大学アーバイン校 |
| 論文 | 時間反転違反の電磁シミュレーション (1968) |
| 博士課程の指導教員 | サム・トレイマン |
ハーバート・ファセン・チェン（中国語：陈华生）（1942年3月16日 - 1987年11月7日）は、カリフォルニア大学アーバイン校の中国生まれのアメリカ人の理論物理学者および実験物理学者であり、ニュートリノ検出の分野での貢献で知られています。弾性ニュートリノ-電子散乱の観測に関するチェンの研究は、素粒子物理学の標準モデルの電弱理論に重要な実験的裏付けを提供しました。[1] 1984年にチェンは、重水の重水素が太陽ニュートリノのフレーバーを区別する検出器として使用できることに気づきました。[2]このアイデアから、チェンは最終的にニュートリノが質量を持つ粒子であることを実証する基本的な測定を行う サドベリーニュートリノ観測所 の計画を立てるようになりました。
教育と幼少期
1942年に中国の重慶で生まれた陳は、戦時中の不安定で治安の悪い幼少期を過ごした。1953年のアイゼンハワー難民救済法に基づき、1955年に家族と共に米国に移住した。[ 3 ] [4] 1960年にマサチューセッツ州のクッシングアカデミーで高校を 卒業。[3] 奨学金でほぼ完全に教育を受け、1964年にカリフォルニア工科大学で物理学の理学士号を取得した。 [4]その後、1968年にプリンストン大学で理論物理学の博士号 を取得し、サム・トレイマンの指導の下、「時間反転違反の電磁シミュレーション」に関する論文を執筆した。[5] [6]
チェンは1968年にカリフォルニア大学アーバイン校に新設された物理学部にポスドク理論家として加わった。 [7] [8]彼はフレデリック・ライネスのニュートリノグループ に早くから加わった。ライネスは戦時中のマンハッタン計画に携わり、 1956年にニュートリノを発見して1995年にノーベル賞を受賞し、 [9] 1966年にはアーバインの新大学の設立に協力した。[8]チェンは理論物理学の訓練を受けたが、ニュートリノの特性を測定する方法の開発のための長期実験プログラムを開始した。[7]
チェンは1974年にカリフォルニア大学アーバイン校の物理学准教授に昇進し、[10] 1980年に物理学教授に昇進した。 [11]
LAMPF におけるニュートリノ物理学
陳は、ロスアラモス中間子物理学施設 (LAMPF) (現在はロスアラモス中性子科学センターと呼ばれる) で生成される高密度ニュートリノ束を利用する研究プログラムを開始した。LAMPF 加速器は主に高強度陽子ビームを非束縛パイ中間子を生成するのに十分なエネルギーまで加速するように設計されたが、LAMPF の動作の副産物として、運動エネルギーが 1,000 万から 5,500 万電子ボルト(MeV) の強力なニュートリノパルスが発生した。[12] 1971 年、LAMPF が稼働する前から、K. ランデ、F. ラインズ、および陳を含む他の人々は、これらのニュートリノを利用することを提案した。[12] [13] 1981 年までに、陳はニュートリノ施設に関するワーキング グループの議長および LAMPF ユーザー グループの技術諮問委員会のメンバーとなった。[14]
LAMPFでのチェンの研究の焦点の一つは、1975年に開始されチェンが指揮した電子ニュートリノ-電子弾性散乱を測定する実験E-225であった。
ν
e+
e−
→
ν
e+
e−
[12 ]
この一見単純な相互作用は、実際には中性子または電子によって媒介される弱い力の相互作用である。
ず0
または起訴された
わ+
、
わ−
弱い相互作用のボソン。[15] 後者の相互作用では、仮想粒子交換によって電子がニュートリノに変換されます（逆もまた同様です）。したがって、弾性散乱の測定は、1983年にCERNの素粒子物理学研究所で初めて検出されたボソンの特性を決定する手段でした。1993年に発表されたこの断面積の測定は、標準モデルの予測と非常によく一致していました。2つの相互作用モードの量子力学的干渉効果を検証することにより、LAMPF実験E-225は標準モデル理論の重要なテストでした。[1]
液体アルゴン時間投影チャンバー
1976年、チェンはカリフォルニア大学アーバイン校およびカリフォルニア工科大学の共同研究者とともに、液体アルゴンを時間投影チャンバー（液体アルゴンTPC）で使用する最も初期の方法の1つを提案した。 [16] [17]この提案は、カルロ・ルビアがCERNで稀少事象の素粒子物理学実験のために同様の装置を構築するという提案 とは独立しており、ほぼ同時期に行われた。 [18] チェンがこのような検出器で当初目指したのはニュートリノ電子散乱の研究だったが、その目標は太陽ニュートリノや宇宙ニュートリノ、あるいは陽子崩壊の測定へと発展した。[16] [18] [19]
ネットワークによる素粒子物理学の計算
1984年、チェンは全米科学財団（NSF）が後援する特別委員会の委員長を務め、素粒子物理学者が計算のために米国各地にある数少ないNSFスーパーコンピューティングセンターにリモートアクセスする方法の問題を調査した。[20]シアトルのワシントン大学の物理学教授ジョン・クレイマー が述べたように、委員会の最終報告書はチェンによってまとめられた。提出された報告書は、アル・ゴア上院議員が後援する議会の活動に貢献した。最終的に、米国各地に5つの新しいNSFスーパーコンピュータセンターが設立され、それらを大学やその他のユーザーに接続するためにNSFNETが設計された。 [20] NSFNETはすぐにARPANET と合併し、このネットワークは最終的にインターネットとなった。
太陽ニュートリノ問題
太陽は、陽子-陽子連鎖反応による核融合によってエネルギーを得ており、4つの陽子がアルファ粒子、ニュートリノ、陽電子、エネルギーに変換されます。 [21]核融合プロセスのエネルギーは、電磁放射線、ガンマ線、および荷電粒子とニュートリノの運動エネルギー の形で放出されます。ニュートリノは、太陽の外層によってほとんど吸収されることなく、太陽の中心核から地球まで移動します。地球に到達する太陽ニュートリノの予想数は、標準的な太陽モデルを使用して計算できます。[21] このモデルは、太陽の内部動作を詳細に説明しています。
1960年代後半、レイ・デイビスとジョン・N・バーコールは、太陽からのニュートリノの流量を測定するホームステイク実験を設計した。サウスダコタ州リードにあるホームステイク金鉱山内で、デイビスはニュートリノの標的として地下1,478メートル（4,850フィート）に380立方メートル（10万ガロン）のペルクロロエチレンのタンクを設置した。 [22]この実験では、塩素とニュートリノの相互作用を測定することになっていた。ペルクロロエチレンは、その元素を豊富に含む一般的なドライクリーニング液である。宇宙線からのノイズを減らすために地下深くの標的が必要であり、ニュートリノの捕獲が成功する確率が非常に低いため、大きな標的が必要だった。標的の質量が非常に大きいにもかかわらず、有効検出率は非常に低いと予想された。実験では、予想よりもはるかに少ないニュートリノ相互作用が測定され、ニュートリノ流量の不足が示された。その後の多くの放射化学検出器や水チェレンコフ検出器によってこの欠陥が確認され、太陽ニュートリノ問題として知られるようになりました。この結果は、ニュートリノが太陽から地球に移動する間にその特性が変化していることを示唆しているように思われました。
2002年、レイ・デイヴィスと小柴昌俊は、太陽ニュートリノの数が標準的な太陽モデルで予測される数の約3分の1であることを発見した実験研究により、ノーベル物理学賞の一部を受賞した。[23]
ニュートリノ検出器用の重水
1984年、チェンは太陽ニュートリノ問題を解決するために、太陽からのニュートリノを観測する手段として大型の重水検出器の使用を提案した。 [2] [24]重水の重水素 を使用すると、ニュートリノの相互作用を中性電流反応と荷電電流反応の両方で観測できるという特性がある。
ν
+ d + →
ν
+
p+
+
ん
（中性電流）
ν
e+ d + →
e−
+
p+
+
p+
（充電電流）
左側の
ν
、
ν
e、dはそれぞれ一般ニュートリノ、電子ニュートリノ、重水素を表し、右側の
p+
、
ん
、 そして
e−
陽子、中性子、電子を指す。 [25] [26] それらの電荷が示されている。ニュートリノには、電子、ミューオン、タウの3つの異なるタイプまたはフレーバーがある。中性電流反応はすべてのニュートリノタイプに関係し、荷電電流反応は電子ニュートリノタイプのみに関係する。荷電電流は荷電粒子によって媒介される。
わ+
そして
わ−
ボソンを介して中性電流が流れ、中性電流は中性粒子を介して流れます
ず0
上記の反応は、検出器内で、最初の反応における中性子の捕獲によるガンマ線放射と、2 番目の反応における電子のチェレンコフ放射など、異なる特性によって区別できます。ニュートリノが太陽から地球に移動する間にフレーバーが変化するか変化しないかによって、これらの反応の相対速度は大きく異なります。
チェンらは、彼の独創的な論文のアイデアを活用するために、サドベリーニュートリノ観測所（SNO）を設計した研究チームを結成した。 [2] [27] 観測所は、カナダのオンタリオ州サドベリー近郊のニッケル鉱山の地下2100メートルに設置されることになっていた。チェンはこのプロジェクトの米国側のリーダー兼スポークスマンであり、ジョージ・ユアンがカナダのチームを率いた。[2] [28]研究の焦点の1つは太陽ニュートリノの問題であったが、「観測所」という用語の使用は、天文現象によって生成されるニュートリノパルスを記録するために施設を使用するという意図、つまりニュートリノ天文学を 強調するためであった。[29] 1987年2月に超新星SN1987A からニュートリノバーストが検出された後、天文台の議論は説得力のあるものであることが判明しました。[30] チェンと共同研究チームが最初に取り組んだ問題は、検出器として使用する1000トンの重水をカナダの原子力発電会社であるアトミック・エナジー・オブ・カナダ社から入手することだった。 [ 2] ニュートリノ観測の主な問題は、相互作用の可能性が非常に小さいため、発生する少数の相互作用を観測するためには膨大な数のターゲットが必要になることです。
死
SNOの集中的な計画と開発の段階で、チェンは白血病と診断されました。1年間の闘病の後、チェンは1987年11月に亡くなりました。[4] 1988年1月、チェンの貢献を称えるニュートリノ物理学のシンポジウムがカリフォルニア大学アーバイン校で開催され、フレデリック・ラインズが司会を務めました。基調講演者はノーベル賞受賞者で天体物理学者の ウィリアム・ファウラーで、「ハーブ・チェンと太陽ニュートリノ」と題した議論が行われました。[31]
カリフォルニア大学アーバイン校物理科学科は「優秀な3年生物理学生に贈られる」ハーバート・H・チェン賞を設立した。[32]
サドベリーニュートリノ観測所
サドベリーニュートリノ観測所は1990年代に完成し、初代所長はチェンの協力者であるアーサー・B・マクドナルドであった。[2] [33] [34] SNOによる観測により、ニュートリノはニュートリノフレーバー（電子、ミューオン、タウ）間を振動していることが実証され、ニュートリノは質量がないわけではないことが証明された。[29] この物理学における基本的な発見により、マクドナルドとサドベリーニュートリノ観測所共同研究チームは、日本の物理学者梶田隆章とスーパーカミオカンデ共同研究チームと共同で、2015年のノーベル物理学賞を受賞した。[35]
参照
参考文献
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ノーベル賞講演
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外部リンク
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- ヒュー・エン・チェン（1901-1993）ハーブ・チェンの家族と1955年の米国への移民について記した非公式の手紙（中国国家航空総公司のウェブサイト）（アクセス日 2017年1月24日）