NA63実験

NA63実験は、強い電磁場における放射過程を研究することを目的としています。欧州原子核研究機構（CERN）の北地区にあります。これは、 SPSからのH4二次電子ビームをさまざまなターゲットに向ける固定ターゲット実験です。これらのターゲットは、比較的軽い炭素やシリコンから、より重い鉄やスズ、タングステン、金、鉛まで、さまざまな元素から作られており、非晶質または単結晶（たとえば ダイヤモンドでできています）です。

この実験はSPS研究プログラムの一環であり、ウルリク・インゲルスレフ・ウガーホイ氏を広報担当者として2010年にデータ収集が開始されました。^[1]

NA63の主な目的の1つは、3つの「クラインのような」生成を研究することです。この現象は、運動している電子が電磁場を貫通し、電子/陽電子対を放出するときに、非常に強い電磁場の中で起こります。これが起こるためには、電磁場がいわゆる臨界場E0 = 1.32*10^16 V/cm-1 ^[2]よりも大きくなければなりませんが、これは実験室で生成することは不可能です。しかし、結晶ターゲットの場合、^[3]貫通粒子は理論上の臨界場に近い電磁場を経験します。実際、電子が単結晶の結晶方向（軸または面）に対して小さな入射角で結晶に入ると、その構成要素の電界がコヒーレントに加算され、約10^11 V/cmの全電界が生成され、それが連続的でマクロなものになります。結晶が非晶質構成から回転すると、電子の静止フレームでは、核場が運動方向にコヒーレントに追加され、合計場は最終的に目標の10^16 V/cmに達することができます。^[2]

このような磁場では、電子は、その位置の量子力学的不確実性によって決まる距離を輸送されると、新しい電子陽電子対の生成に相当するエネルギーを得る可能性がある: Δd= ƛ = ħ/mc。したがって、電子静止フレームの磁場が臨界状態になると、新しい粒子の大幅な生成が予想され、観測されている^[2]。

このような場は、一般的に、高度に磁化された中性子星、ホーキング放射に近い類似物であるブラックホール（NA63 の場合のように電磁場ではなく重力場が強い）、そしておそらく、知られている中で最も高いエネルギーの宇宙線を発生させる宇宙加速器などの天体物理現象でのみ見られます。NA63 は、結晶ターゲットと SPS からの高エネルギービーム（約 100 GeV）を使用する特別なアプローチを使用して、実験室でこのような場でのプロセスをテストすることに成功しました。

NA63 のもう一つの研究分野は、強い電磁場が光子放出過程の持続時間に与える影響です。具体的には、臨界強度の電磁場は、電子が光子を放出するのにかかる時間に興味深い影響を及ぼします。

電場に入る電子は加速されるため、制動放射効果によってエネルギーの一部を光子の形で失う必要があります。制動放射効果とは、固体材料などの原子を通過する際に荷電粒子が減速される際に電磁放射を放出するプロセスです。時間の遅れと長さの収縮という相対論的現象を利用することにより、NA63実験では、この光子放出プロセスは瞬間的ではなく、時間がかかることを示しました。^[4]このプロセスには時間がかかるため、光子生成は実験的に影響を受ける可能性があります。非相対論的粒子の場合、この時間は非常に短いため、調査は不可能ではないにしても非常に困難です。しかし、NA63で使用されている相対論的粒子の場合、時間の遅れという相対論的効果により、その時間は約50万分の1に「遅く」なるため、調査が可能になります。

一方、臨界電磁場では、電子は激しく偏向するため、光子を放射する時間が十分にありません。したがって、臨界レベルを超えて電磁場を調整することで、電子ビームの発生する放射スペクトルを変更できます。つまり、電磁場を大きくすると、ビームからの相対的な放射収量は減少します。NA63 はこのような効果を調査しており、これまでに示した主な結果の 1 つは、通常はシンクロトロン(ストレージ) リングで古典的な形でのみ観測されるシンクロトロン放射^[5]に対する量子補正の測定です。

放射線反応は電気力学における長年の課題である。簡単に定式化すると、放出された光子がそれを放出した荷電粒子に反作用する問題である。古典理論では、運動方程式の解は、エネルギー保存則や因果律と矛盾するなど、不合理な結果をもたらす。量子版、いわゆる量子電気力学（QED）では、必要な技術がわかっているため、この問題は原理的には解決されている。しかし、計算上の困難さは深刻であり、比較的単純な問題しか解決されていない。強い場は実験的に問題に対処するための手段であることが判明しており、NA63コラボレーション（のメンバー）は理論的にも実験的にもその道を切り開いた。 [ ^{6 ]}

強い場と放出時間の影響は、非常に高勾配の粒子加速に使用されるプラズマ航跡場のいわゆる「バブル状態」から、マグネター（強く磁化された中性子星）などの天体、強力なレーザーや重イオン衝突まで、物理学の他の多くの分野に関連しています。NA63で研究されている概念は、まだ検出されていないブラックホールからのホーキング放射という重力類似物にも適用されます。最後に、放射反応の問題を実験的に解決するために、電子レーザー相互作用ではるかに「クリーンな」環境を実現できますが、徹底的な調査を可能にするのに十分な強度のレーザーが実現するのはまだ数年、おそらく数十年先です。電子結晶相互作用については、NA63はすでに実験的にこの問題に取り組んでいます。

ウンルー効果は、NA63によって探索された高エネルギーチャネリング放射線で初めて観測された可能性がある。^{[7] [8]}

1. クリスチャン・フローア・ニールセン (広報担当): https://orcid.org/0000-0002-8763-780X
2. ウルリク・ウガーホジ: http://orcid.org/0000-0002-8229-1512
3. トビアス・ウィスティセン: https://orcid.org/0000-0001-8103-9860
4. ロバート・ホルツアップル: http://orcid.org/0000-0003-2726-1131
5. アントニーノ ディ ピアッツァ: https://orcid.org/0000-0003-1018-0458
6. サイモン・H・コネル: http://orcid.org/0000-0001-6000-7245
7. イェンス・ボー・ジュストセン: https://orcid.org/0000-0003-2525-6793
8. アラン・H・ソレンセン。
9. マッズ・ミデルヘデ・ルンド https://orcid.org/0000-0001-9859-9506
10. マーク・ブライナー・ソレンセン
11. ソフィー・ヤストルプ・ラング

• INSPIRE-HEPにおける CERN-NA-063 実験記録
• 宇宙線：宇宙からの粒子：https://home.cern/about/physics/cosmic-rays-particles-outer-space
• 重イオン衝突：https://home.cern/about/physics/heavy-ions-and-quark-gluon-plasma