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核乳剤プレートは、 20世紀初頭の数十年間に原子核物理学および素粒子物理学の実験で初めて使用された粒子検出器の一種です。 [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]これは、アルファ粒子、 核子、レプトン、中間子などの高速荷電粒子を記録して調査するために使用できる写真乾板 の改良型です。乳剤を露光および現像した後、顕微鏡を使用して単一の粒子の軌跡を観察および測定できます。
核乳剤プレートは、写真用乾板を改良したもので、より厚いゼラチン乳剤が塗布されており、その中に非常に微細なハロゲン化銀粒子が高濃度で含まれている。乳剤の正確な組成は、粒子検出に最適化されている。
この装置の最大の利点は、空間精度と解像度が非常に高いことです。その限界はハロゲン化銀粒子 のサイズ（サブミクロン）によってのみ決まります。その精度と解像度は、最新の粒子検出器の中でも最高レベルのものをも凌駕します（下のK中間子崩壊の画像でそのスケールを確認してください）。
乳剤プレートを積み重ねて実質的に乳剤ブロックを形成すると、粒子の相互作用を記録および保存することができ、その結果、粒子の軌跡は銀ハロゲン化物粒子の軌跡として3次元空間に記録され、あらゆる角度から顕微鏡レベルで観察できます。[ 3 ]さらに、乳剤プレートは、必要な量のデータが蓄積されるまで露光または照射できる積分デバイスです。コンパクトで、関連する読み出しケーブルや電子機器がないため、プレートを非常に狭いスペースに設置でき、他の検出器技術と比較して、製造、運用、および維持のコストが大幅に低くなっています。これらの特徴は、宇宙線の高高度、山岳、気球ベースの研究を可能にし、パイ中間子[ 4 ] [ 5 ]およびパリティ違反荷電K中間子崩壊[ 6 ]の発見につながり、原子核以下の「粒子動物園」の真の性質と範囲を明らかにし、現代の実験的素粒子物理学の発展におけるマイルストーンを定義しました。[ 1 ]
核乳剤の主な欠点は、それが高密度で複雑な物質（銀、臭素、炭素、窒素、酸素）であるため、多重散乱や電離エネルギー損失によって粒子が他の検出器コンポーネントへ移動するのを妨げる可能性があることです。最後に、有用な3次元デジタルデータを取得するために大量の乳剤を現像およびスキャンする作業は、これまで時間がかかり、労力を要するプロセスでした。しかし、最近のプロセスの自動化の進展により、この欠点は克服される可能性があります。[ 7 ]
これらの欠点に加え、新しい粒子検出器や粒子加速器技術の出現により、20世紀末にかけて粒子物理学における核乳剤板の使用は減少した。[ 1 ] しかし、この方法は、稀な過程の研究や、医学や生物学におけるオートラジオグラフィーなどの他の科学分野では引き続き使用されている。
この主題に関する包括的かつ技術的な詳細な説明については、Powell、Fowler、Perkins [ 2 ]および Barkas [ 3 ]の著書を参照してください。核乳剤法の歴史とより広範な科学的背景に関する包括的なレビューについては、Galison [ 8 ] の著書を参照してください。
1896年にアンリ・ベクレルが写真乳剤を用いて放射能を発見した後[ 9 ]、カナダのマギル大学、そしてイギリスのマンチェスター大学で研究していたアーネスト・ラザフォードは、放射性物質から放出される放射線を詳細に研究するためにこの方法を用いた最初の物理学者の1人でした[ 10 ] 。1905年には、市販の写真乾板を使用して、最近発見されたいくつかの原子核の放射性崩壊で生成されるアルファ線 の特性に関する研究を続けました[ 10 ]。これには、アルファ線 照射によって引き起こされる写真乾板の黒化の分析が含まれていました。この黒化は、アルファ線を構成する多数の荷電アルファ粒子と写真乳剤中のハロゲン化銀粒子との相互作用によって起こり、写真現像によって可視化されました。ラザフォードはマンチェスター大学の同僚である木下末輝氏[ 11 ]にアルファ粒子の写真作用をより詳細に調査するよう勧めた。
木下は研究目的の一つとして「単一のα粒子が検出可能な写真現象を引き起こすかどうか」を掲げた。彼の方法は、α粒子の放出率が既知である、よく測定された放射性線源からの放射線を乳剤に照射することであった。彼はその知識と、プレートと線源との相対的な距離を利用して、プレートを通過すると予想されるα粒子の数を計算した。そして、その数を、乳剤中で数えた現像されたハロゲン化物粒子の数と比較した。その際、露光によって追加の「非α」粒子を生成する「バックグラウンド放射線」を注意深く考慮した。彼は1909年にこの研究プロジェクトを完了し[ 12 ] 、「非常に細かいハロゲン化銀粒子の乳剤フィルムを作成し、高倍率の顕微鏡を使用することで、写真法をα粒子の計数にかなりの精度で適用できる」ことを示した。[ 13 ]これは、写真乳剤を用いて個々の荷電粒子を観察することに初めて成功した事例であった。[ 1 ]しかし、これは個々の粒子の衝突を検出したものであり、粒子の長い軌跡を観察したものではない。その直後の1911年、マックス・レインガヌム[ 14 ]は、α粒子が写真乳剤をかすめるように通過すると、乳剤を現像したときにα粒子の軌跡をなぞる銀ハロゲン化物粒子の列が生成されることを示した。これは、乳剤中の粒子の長い軌跡を初めて記録した事例である。[ 15 ] [ 1 ]
次のステップは当然、この技術を他の種類の粒子の検出と研究に適用することであり、その中には1912年にヴィクトル・ヘスによって新たに発見された宇宙線も含まれる。しかし、1914年の第一次世界大戦の勃発により、その進展は中断された。他の種類の粒子（例えば陽子はα粒子によって引き起こされる電離の約4分の1を引き起こす[ 16 ]）を検出するために、標準的な写真乳剤の粒子検出性能を向上させるという未解決の問題は、1920年代にさまざまな物理学研究所で再び取り上げられた。[ 1 ]
特に、オーストリアのウィーンにあるラジウム研究所に勤務していたマリエッタ・ブラウは、 1923年に、当時「H線」として知られていた陽子を検出するための代替的な写真乳剤プレートの研究を開始した。
彼女は放射性α粒子源を用いて、水素含有量の多いパラフィンワックスに放射線を照射した。α粒子は水素原子核（陽子）と衝突し、その陽子をワックスから写真乳剤へと叩き出し、そこでハロゲン化銀粒子の目に見える軌跡を生成する。様々なプレートを使用し、乳剤を不要な放射線から慎重に遮蔽するなど、多くの試行錯誤を経て、彼女は核乳剤中の陽子の軌跡を史上初めて観察することに成功した。[ 17 ]
彼女は独創的な発想で、同様の方法を用いて、核乳剤中における中性子の衝突を史上初めて観測した。電気的に中性な中性子は、当然ながら写真乳剤中で直接検出することはできないが、乳剤中の陽子に衝突すれば、反跳した陽子を検出することができる。[ 18 ]彼女はこの方法を用いて、特定の核反応過程から生じる中性子のエネルギースペクトルを決定した。彼女は、陽子の軌跡に沿って露出した粒子密度を測定することで陽子のエネルギーを決定する方法を開発した（高速で電離度の低い粒子は、低速の粒子よりも相互作用する粒子が少ない）。高速陽子の長い軌跡をより正確に記録するために、彼女は英国のフィルムメーカーであるイルフォード（現在のイルフォードフォト）に依頼して市販のプレート上の乳剤を厚くしてもらい、アルファ粒子や高速陽子の軌跡の視認性を向上させるために、粒子サイズ、潜像保持、現像条件などの他の乳剤パラメータを実験した。[ 19 ]
1937年、マリエッタ・ブラウと彼女の元教え子ヘルタ・ワンバッハーは、インスブルック上空のハーフェレカルシュピッツェ山頂（標高2300m）で宇宙放射線にさらされた核乳剤の核破砕により、核崩壊星（Zertrümmerungsterne）を発見した。[ 20 ] この発見は、核物理学と宇宙線物理学の世界にセンセーションを巻き起こし、核乳剤法をより多くの人々の注目を集めることになった。しかし、オーストリアとドイツで政治的不安が勃発し、第二次世界大戦へと発展したことで、マリエッタ・ブラウのこの分野の研究は突然中断を余儀なくされた。[ 21 ] [ 22 ]
1938年、科学難民としてドイツを脱出し、イギリスで生活し研究を行っていたドイツの物理学者ヴァルター・ハイトラーは、ブリストル大学で宇宙線シャワーの形成を含む多くの理論的テーマを研究していた。当時、宇宙線検出に霧箱の使用を検討していたセシル・パウエルに、ハイトラーは1937年にウィーンの物理学者ブラウとワンバッハーの2人がオーストリア・アルプスで写真乳剤を露光し、低エネルギー陽子の軌跡と宇宙線によって引き起こされる「星」または核崩壊を目撃したことを話した。[23][ 8 ]
このことがパウエルの興味をそそり、彼はハイトラーを説得して、イルフォードのハーフトーン乳剤[ 24 ]を持ってスイスへ行き、標高3,500mのユングフラウヨッホで露光させた。1939年8月に「ネイチャー」に送った手紙の中で、彼らはブラウとワンバッハーの観察結果を確認することができた。[ 25 ] [ 26 ] [ 27 ]
戦争によって1939年から1945年の間、ヨーロッパでは宇宙線研究が決定的に中断されたが、インドではコルカタのボース研究所に勤務していたデベンドラ・モハン・ボースとビバ・チョードゥリが、写真乳剤を用いて宇宙線を検出・分析する一連の高地山頂実験を行った。これらの測定は、写真法によるミューオンの史上初の検出で注目に値する。チョードゥリは、観測された飛跡の特性（露出したハロゲン化物粒子の密度と飛程および多重散乱相関など）を綿密に分析し、検出された粒子が電子の約200倍の質量を持つことが明らかになった。これは、1936年にアンダーソンとネッダーマイヤーが霧箱を用いて発見した「メソトロン」（後に「ミュー中間子」、現在はミューオン）と同じ粒子である。距離と状況により、ボーズとチョードゥリは、ブラウや後にハイトラー、パウエルらが利用できた写真乾板の製造業者に比較的容易にアクセスすることができなかった。そのため、ボーズとチョードゥリは、粒子検出用に特別に設計された核乳剤ではなく、標準的な市販のハーフトーン乳剤を使用せざるを得なかった。このことは、彼らの研究の質の高さをさらに際立たせている。[ 28 ] [ 29 ] [ 30 ] [ 31 ] [ 32 ]
これらの進展に続き、第二次世界大戦後、ブリストル大学のパウエルとその研究グループはイルフォード（現在のイルフォード・フォト）と協力し、宇宙線粒子の検出用乳剤をさらに最適化した。イルフォードは、単位体積あたり通常の8倍の臭化銀を含む濃縮「核研究用」乳剤を製造した（「イルフォードの核乳剤」への外部リンクを参照）。パウエルのグループはまず、ケンブリッジ大学のコッククロフト・ウォルトン発生器/加速器を使用して新しい「核研究用」乳剤を較正した。この発生器/加速器は、人工崩壊粒子をプローブとして使用し、新しい乳剤中の荷電粒子に必要な飛程-エネルギー関係を測定した。[ 33 ]
その後、彼らはこれらの乳剤を用いて、20世紀の物理学における最も重要な発見のうち2つを行った。まず、1947年に、セシル・パウエル、セザール・ラッテス、ジュゼッペ・オッキアリーニ、ヒュー・ミュアヘッド（ブリストル大学）は、ピレネー山脈のピク・デュ・ミディ天文台で宇宙線に照射された乾板をアイリーン・ロバーツとマリエッタ・クルツがスキャンし、荷電パイ中間子を発見した。[ 4 ]
第二に、その2年後の1949年、スイスのユングフラウヨッホにあるスフィンクス天文台で露光された乾板を分析した結果、正のK中間子とその「奇妙な」崩壊の最初の精密な観測が、ブリストルのセシル・パウエル研究室の研究学生であったローズマリー・ブラウン（現在のローズマリー・ファウラー[ 34 ] ）によって行われた。 [ 6 ]当時はタウ・シータパズルの「タウ中間子」として知られていたこれらのK中間子の崩壊モードの精密な測定は、ストレンジネスの量子概念の導入と、弱い相互作用におけるパリティ違反の発見につながった。ローズマリー・ブラウンは、1つの「タウ」が3つの荷電パイ中間子に崩壊する印象的な4トラックの乳剤画像[ 1 ]を「Kトラック」と呼び、こうして新しく発見された「奇妙な」K中間子に事実上名前を付けた。 セシル・パウエルは、「原子核過程を研究するための写真法の開発と、この方法を用いて行った中間子に関する発見」により、1950年のノーベル物理学賞を受賞した。
新しい粒子検出器および粒子加速器技術の出現と、序論で述べた欠点が相まって、20世紀末にかけて粒子物理学における核乳剤板の使用は減少した。[ 1 ] しかし、稀な相互作用や崩壊過程の研究においては、この方法は引き続き使用された。[ 35 ] [ 36 ] [ 37 ] [ 38 ] [ 39 ]
近年では、「標準模型を超える物理学」の探求、特にニュートリノと暗黒物質が通常の物質と極めてまれに相互作用する現象の研究により、乳剤画像処理の自動化を含む技術が復活している。[ 7 ]例としては、イタリアのグランサッソ研究所でニュートリノ振動を研究するOPERA実験[ 40 ]や、暗黒光子を含む新しい軽量で相互作用の弱い粒子を探索するCERN LHCのFASER実験[ 41 ]などがある。
核乳剤が帯電粒子の位置、方向、エネルギーを正確に記録したり、その効果を統合したりする能力は、多くの科学技術分野で応用されている。これらの応用例のほとんどは、オートラジオグラフィーによる埋め込み型放射性マーカーの追跡である。例としては以下の通りである。
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