ポール・シェラー・インスティテュート

人間が扱うすべての物質は原子で構成されています。原子の相互作用と配置が物質の特性を決定します。PSIの物質と材料分野の研究者のほとんどは、さまざまな物質の内部構造が観測可能な特性とどのように関連しているかについてさらに詳しく知りたいと考えています。この分野の基礎研究は、電気工学、医学、電気通信、モビリティ、新しいエネルギー貯蔵システム、量子コンピュータ、スピントロニクスなど、幅広い用途を持つ新しい材料の開発に貢献しています。調査対象の現象には、超伝導、強磁性および反強磁性、スピン流体、トポロジカル絶縁体などがあります。^{[ 27 ]}

PSIでは、原子サイズから1センチメートルサイズの物体まで、材料の内部に独自の非破壊的なアクセスを可能にするため、中性子が材料研究に多用されています。^{[ 28 ]}そのため、量子スピンシステムとその将来のコンピュータ技術への応用可能性、複雑な脂質膜の機能と薬物物質の輸送と標的放出への利用、インテリジェントエネルギーネットワークの主要コンポーネントとしてのエネルギー貯蔵用の新規材料の構造など、基礎研究と応用研究のトピックを調査するための理想的なプローブとして機能します。

素粒子物理学において、PSIの研究者たちは物質の最内層の構造と特性、そしてそれらを結合させているものについて研究している。^{[ 29 ]}ミューオン、パイ中間子、超低温中性子は、素粒子の標準模型の検証、基本的な自然定数の決定、および標準模型を超える理論の検証に用いられる。PSIの素粒子物理学は、弱い相互作用の結合定数の最も精密な決定や陽子の電荷半径の最も正確な測定など、多くの記録を保持している。 ^{[ 30 ]}一部の実験は、標準模型では予測されていないが、理論の矛盾を修正したり、天体物理学や宇宙論の未解明の現象を解決したりできる効果を見つけることを目的としている。これまでのところ、それらの結果は標準模型と一致している。例としては、MEG実験で測定された、正のミューオンが陽電子と光子に崩壊するという仮説の上限値^{[ 31 ]}や、中性子の永久電気双極子モーメントの上限値^{[ 32 ]などが挙げられる。}

ミューオンは素粒子物理学だけでなく、固体物理学や材料科学でも有用です。^{[ 33 ]}ミューオンスピン分光法（μSR）は、磁性体や超伝導体、半導体、絶縁体、半導体構造の基本的な特性を調査するために使用され、太陽電池などの技術的に関連する応用も含まれます。

PSIの研究者たちは、エネルギー供給の持続可能性を高めることを目指し、エネルギー利用のあらゆる側面に取り組んでいます。重点分野には、再生可能エネルギーの新技術、低損失エネルギー貯蔵、エネルギー効率、低公害燃焼、燃料電池、エネルギーおよび物質循環の実験的およびモデルベースの評価、エネルギー生産と消費の環境影響、そして原子力エネルギー研究、特に原子炉の安全性と廃棄物管理が含まれます。

PSIは、季節的なエネルギー貯蔵とセクターカップリングに関する特定の疑問に答えるために、ESI（エネルギーシステム統合）実験プラットフォームを運用しています。このプラットフォームは、研究や産業において、再生可能エネルギーをエネルギーシステムに統合するための有望なアプローチをテストするために使用できます。たとえば、太陽光発電や風力発電からの余剰電力を水素やメタンの形で貯蔵するなどです。^{[ 34 ]}

PSIでは、チューリッヒの電力会社Energie 360​​°と共同でESIプラットフォームを活用し、バイオ廃棄物からメタンガスをより多く抽出する方法を開発し、試験に成功しました。このチームは、スイス連邦エネルギー局のワット・ドール2018を受賞しました。

PSIには触媒研究のためのプラットフォームも維持されている。触媒作用は、燃料電池、水の電気分解、二酸化炭素のメタン化など、様々なエネルギー変換プロセスにおいて中心的な役割を果たす。

PSIは、さまざまなエネルギー生産プロセスの汚染物質の排出と、大気中における対応する物質の挙動をテストするために、スモッグチャンバーも運用している。^{[ 35 ]}

PSIにおけるもう一つの研究分野は、アルプス、地球の極地^{[ 36 ]}、中国^{[ 37 ]など、局所的な大気に対するエネルギー生産の影響に関するものである。}

原子力エネルギー・安全部門は、原子力に関する高度な専門知識を維持し、原子力分野の科学者や技術者を育成することに尽力しています。例えば、PSIは、商用原子炉の燃料棒を調査するヨーロッパでも数少ない研究所の一つを運営しています。同部門は、チューリッヒ工科大学、スイス連邦工科大学ローザンヌ校、ベルン大学と緊密に連携し、例えば、これらの大学の高性能コンピュータや、スイス連邦工科大学ローザンヌ校のCROCUS研究炉などを活用しています。

2023年、PSIの研究者たちはインドの機関と協力して、ニューデリーの夜間のスモッグの形成を調査した。彼らは、木材や廃棄物の燃焼による排出物が低温で凝縮して微粒子を形成することを発見した。このプロセスは、この都市特有のものであるとされている。この研究結果は、Nature Geoscienceに掲載された。^{[ 38 ]}

2024年、PSIの研究者らは、チューリッヒ工科大学と共同で、デジタル化によってスイスのエネルギー消費量を2020年比で2050年までに10～20%削減できる可能性を示唆する研究を発表した。600万の方程式と変数を含む詳細なエネルギーシステムモデルに基づいたこの研究では、技術の向上と行動様式の変化によって、リモートワークやデータ使用による需要増加を相殺し、ネットゼロエネルギーシステムへの移行を支援できることがわかった。^{[ 39 ]}

PSIは、がん治療のための陽子線治療の研究と応用において、世界をリードする機関の1つです。1984年以来、陽子線治療センターは特殊な放射線治療でがん患者の治療に成功しています。現在までに、7500人以上の眼腫瘍患者が照射を受けています（2020年時点）。OPTIS施設を使用した眼治療の成功率は98%を超えています。^{[ 40 ]}

 1996年、 PSIで開発されたスポットスキャン陽子線技術と呼ばれるものを初めて使用できる照射装置（ガントリー1）が設置されました。この技術では、 幅5～7mm程度の陽子線ビームで体内の深部にある腫瘍を3次元的にスキャンします。1リットルあたり約10,000個の多数の陽子線スポットを重ね合わせることで、腫瘍は必要な放射線量を均一に照射され、各スポットごとに個別にモニタリングされます。これにより、通常不規則な形状をしている腫瘍に最適に適合した、非常に正確で均一な照射が可能になります。^{[ 41 ]}この技術により、周囲の健康な組織をできるだけ多く温存することができます。最初のガントリーは1996年から2018年末まで患者に使用されました。2013年には PSIで開発された2番目のガントリー2が稼働し、2018年半ばには別の治療ステーションであるガントリー 3が開設されました。^{[ 42 ]}

放射性医薬品の分野では、PSIのインフラはあらゆる領域を網羅しています。特に、PSIの研究者は、全身に分布する非常に小さな腫瘍に取り組んでいます。^{[ 43 ]}これらは通常の放射線療法では治療できません。しかし、PSIの陽子加速器と中性子源SINQの助けを借りて、新しい医療応用可能な放射性核種が製造されています。治療のために特殊な生体分子（抗体）と組み合わせると、腫瘍細胞を選択的かつ特異的に検出する治療分子を形成できます。その後、これらの細胞は放射性同位体で標識されます。その放射線はSPECTやPETなどの画像診断技術で局所化でき、腫瘍とその転移の診断が可能になります。さらに、腫瘍細胞を破壊するように投与量を調整することもできます。PSIでは、このような放射性物質がいくつか開発されています。これらは現在、大学、クリニック、製薬業界と緊密に協力して臨床試験でテストされています。^{[ 44 ]} PSIは必要に応じて地元の病院に放射性医薬品も供給している。^{[ 45 ]}

スイス・シンクロトロン光源施設（SLS）の開設以来、構造生物学は人間の健康分野における研究のさらなる焦点となっている。ここでは、生体分子の構造と機能が、できれば原子分解能で研究されている。PSIの研究者は主にタンパク質に関心を持っている。すべての生細胞は、例えば代謝、信号の受信と伝達、分裂を行うために、これらの分子を無数に必要とする。目標は、これらの生命プロセスをよりよく理解し、それによって病気をより効果的に治療または予防できるようにすることである。^{[ 46 ]}

例えば、PSIは微小管の構造を研究しています。微小管は、細胞分裂中に染色体を引き離すなど、さまざまな働きをする糸状構造です。微小管は長いタンパク質鎖で構成されています。化学療法でがんを治療すると、これらの鎖の組み立てや分解が阻害され、がん細胞は分裂できなくなります。研究者たちは、これらのタンパク質の構造と、それらがどのように変化するかを綿密に観察し、がん治療薬が微小管のどこを攻撃する必要があるかを正確に突き止めようとしています。^{[ 47 ] [ 48 ]} 2016年に開設されたPSIのSwissFEL自由電子X線レーザーの助けを借りて、研究者たちは、1兆分の1秒（ピコ秒）未満という極めて高い時間分解能で生体分子の動的プロセスを分析できるようになりました。^{[ 49 ]}例えば、私たちの目の網膜の光受容体にある特定のタンパク質が光によってどのように活性化されるかを検出しました。

1974 年に運用を開始したPSI の陽子加速器は、初期の頃は主に素粒子物理学に使用されていましたが、今日では固体物理学、放射性医薬品、がん治療への応用が中心となっています。 ^{[ 8 ]}運用開始以来、絶えず改良が加えられ、現在の性能は 2.4 mA に達し 、初期の 100 μA の 24 倍となっています 。^{[ 50 ]}このため、この施設は現在、高性能陽子加速器、略して HIPA (高強度陽子加速器) とみなされています。基本的には、コッククロフト・ウォルトン、インジェクター 2 サイクロトロン、リング サイクロトロンの 3 つの加速器が直列に接続されています。これらは陽子を光速の約 80 % まで加速します。^{[ 51 ]}

大きな実験ホールの中央で、リングサイクロトロンの陽子ビームが2つのターゲット（炭素のリング）に衝突します。陽子が炭素原子核に衝突すると、まずパイ中間子が生成され、約260億分の1秒後にミューオンに崩壊します。その後、磁石によってこれらのミューオンが材料科学や素粒子物理学で使用される装置に導かれます。 ^{[ 55 ]}リングサイクロトロンの非常に高い陽子電流のおかげで、ミューオン源は世界で最も強力なミューオンビームを生成することができます。^{[ 56 ]}これにより、研究者は他の場所では実行できない素粒子物理学や材料科学の実験を行うことができます。

スイス・ミューオン源（SμS）には、科学者が現代物理学のさまざまな側面を調査するために使用できる7つのビームラインがあります。材料科学者の中には、ミューオンスピン分光実験にこれらを使用する人もいます。PSIは、ミューオン源の高いミューオン強度と特殊なプロセスのおかげで、わずか数キロ電子ボルトという非常に低いエネルギーで十分な強度のミューオンビームを利用できる世界で唯一の場所です。結果として得られるミューオンは、材料や表面の薄い層を分析するために使用できるほど遅いです。^{[ 57 ]}さまざまな用途の機器を備えた6つの測定ステーション（FLAME（2021年から）、DOLLY、GPD、GPS、HAL-9500、およびLEM）が、このような調査に利用できます。

素粒子物理学者たちは、これらのビームラインの一部を利用して高精度の測定を行い、標準模型の限界を検証している。

1996年から稼働している中性子源SINQは、この種のものとしては最初であり、現在でも最強である。10 14 n cm −2 s −1 の連続中性子束を供給する。[ ⁵⁸ ] ^SINQでは^、大型粒子加速器^{からの陽子}が鉛ターゲットに衝突し、鉛原子核から中性子を叩き出して、実験に利用できるようにしている。^{[ 50 ]}熱中性子に加えて、液体重水素で作られた減速材により、エネルギースペクトルが低い低速中性子も生成できる。 

MEGAPIEターゲット（メガワットパイロット実験）は2006年の夏に稼働を開始した。固体ターゲットを鉛ビスマス共晶合金製のターゲットに置き換えることで、中性子収量を約80%増加させることができた。^{[ 59 ]}

MEGAPIEターゲットの廃棄には莫大な費用がかかるため、PSIは2009年に同様のターゲットを新たに製造するのではなく、既にその有効性が実証されている固体ターゲットの開発をさらに進めることを決定した。MEGAPIEプロジェクトの成果に基づき、固体ターゲットを用いた運転でも、ほぼ同等の中性子収量の増加が見込めることが明らかになった。

SINQは、低速中性子を輸送するために特別に開発された光学ガイドシステムを採用した最初の施設の1つです。金属コーティングされたガラス管は、光ファイバーにおける光の伝搬と同様に、全反射を利用して中性子を数十メートルという長距離にわたって、強度損失を最小限に抑えながら伝送します。これらのニュートロンガイドの効率は、製造技術の進歩に伴い着実に向上してきました。そのため、PSIは2019年に包括的なアップグレードを実施することを決定しました。2020年夏にSINQが運転を再開すると、実験に利用できる中性子の供給量は平均で5倍、特別な場合には30倍にも増加する予定です。

SINQの15種類の計測機器は、PSIの研究プロジェクトで使用されるだけでなく、国内外のユーザーにも利用可能です。

2011年以来、PSIは超低温中性子（UCN）生成のための第2の核破砕中性子源も運用している。 ^{[ 60 ]} SINQとは異なり、パルス式でHIPAの全ビームを使用するが、通常は5分ごとに8秒間のみである。設計はSINQと似ている。ただし、中性子を冷却するために、5ケルビン（摂氏-268度に相当）の温度で凍結した重水素を低温減速材として使用する。生成されたUCNは施設内に貯蔵され、実験で数分間観測することができる。

この超伝導250 MeVサイクロトロンは2007年から陽子線治療に使用されており、がん患者の腫瘍治療にビームを提供している。これは世界で初めて陽子線治療に使用された超伝導サイクロトロンである。以前は、この目的のためにリングサイクロトロンからの陽子線ビームの一部が分離されていたが、2007年以降、医療施設は独自の陽子線ビームを独自に生成し、治療用の複数の照射ステーションに供給している。^{[ 61 ]}その間、施設の他のコンポーネント、周辺機器、制御システムも改良され、現在では年間7000時間以上の稼働時間で、98%以上の時間利用可能となっている。

スイス光源（SLS）^{[ 62 ] [ 63 ]}は電子シンクロトロンであり、2001年8月1日から稼働している。これは、X線装置と顕微鏡を組み合わせたようなもので、さまざまな物質をスクリーニングする。円形構造では、電子は円周288mの円形経路を移動し、接線 方向にシンクロトロン放射を放出する。合計350個の磁石が電子ビームを軌道上に保持し、集束させる。加速空洞により、ビームの速度は一定に保たれる。

スイス光源のパノラマビュー

2008年以来、SLSは世界で最も細い電子ビームを持つ加速器となっています。PSIの研究者と技術者は8年間この研究に取り組み、多数の磁石を何度も調整してきました。SLSは赤外線から硬X線まで、非常に幅広いスペクトルのシンクロトロン放射光を提供します。これにより、研究者は物体、材料、組織の内部を顕微鏡で撮影し、例えば材料の改良や医薬品の開発に役立てることができます。^{[ 8 ]}

2017年、SLSの新しい装置により、コンピュータチップを破壊することなく内部を初めて観察することが可能になった。45ナノメートルの細い電源線や34ナノメートルの高さのトランジスタなどの構造が見えるようになった。この技術により、チップメーカーは、例えば、製品が仕様に準拠しているかどうかをより簡単に確認できるようになる。^{[ 64 ]}

現在、「SLS 2.0」という仮称で 、SLSをアップグレードして第4世代のシンクロトロン光源を作る計画が進められている。^{[ 65 ]}

2024年、PSIの研究者たちはSLSを用いて、プティコグラフィーと呼ばれる技術により4ナノメートルの解像度を達成し、X線イメージング精度の世界新記録を樹立した。EPFL、ETHチューリッヒ、南カリフォルニア大学との共同研究で行われたこの研究は、コンピュータチップの高解像度3Dイメージングを可能にし、 Nature誌に掲載された。この進歩は、情報技術と生命科学の両方で応用される可能性がある。^{[ 66 ]}

SwissFEL自由電子レーザーは、 2016年12月5日に連邦参事官ヨハン・シュナイダー＝アマンによって正式に開所されました。2018年には最初のビームラインARAMISが稼働を開始しました。2番目のビームラインATHOSは2020年秋に稼働開始予定です。^{[ 67 ]}世界中で、これに匹敵する施設は4つしか稼働していません。^{[ 68 ]}