物理学の未解決問題に道、超流動ヘリウム中の流れの可視化へ 

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名古屋大学は2020年4月10日、日本原子力研究開発機構、高エネルギー加速器研究機構、中性子科学センター、京都大学と共同で、可搬型の小型計測装置を開発し、超流動4Heに中性子ビームを照射することによって生成された4He2エキシマーからの発光現象の確認に成功したと発表した。

乱流は、水や空気など速い流れの中でよく見られる現象で、工業製品の冷却、飛行機の設計などの産業から、大気の流れなどの自然現象まで広く関わる現象だ。その動きを理解し予測することができれば、より良い物作りや気象予測などさまざまな分野への応用が広がるが、科学的にはまだまだ理解が進んでおらず「物理学の未解決問題」の一つに数えられている。

乱流の理解を深めるために、現在、超流動ヘリウムやボース・アインシュタイン凝縮などの超流動体に存在する量子乱流の分野に注目が集まっている。超流動ヘリウムは量子乱流研究でよく取り扱われ、それ自体、冷媒として使われる。そのため、超流動ヘリウムの流れの理解は重要だ。これまで凍結水素や高分子化合物から作られた微粒子トレーサーを用いて超流動ヘリウムの流れを可視化し、流速の測定が行われてきたが、量子渦よりもかなり大きなサイズの粒子であるため渦の動きを乱してしまい、超流動ヘリウム自体の流れを正確には解釈できていない。

4He2エキシマーは、こうした問題を軽減する可能性があるトレーサーだ。液体ヘリウムのほとんどを占める4Heは、通常、単原子分子として存在しているが、強い電場や放射線のような外部からの刺激により励起し、4He2エキシマーという2原子分子を形成する。4He2エキシマー状態の寿命は約13秒で、その間に特定の波長のレーザーを照射することで蛍光を見ることができる。

研究では、中性子を照射することで生成される4He2エキシマー集団をトレーサーとして超流動4He中の流れを完全可視化するプロジェクトを推進。まず4He2エキシマー蛍光を誘起するための非常に小型で高強度のTi:Sapphireパルスレーザーを開発し、中性子施設のように制限された環境で使用できる可搬型の計測装置を完成させた。次に、可搬型の計測装置を用い、J-PARCのパルス中性子ビームや京都大学研究用原子炉の連続中性子ビームを超流動ヘリウムに入射し、パルスレーザーを同時に照射することで生じる蛍光を測定した。

得られた蛍光は、フィルターで関係のない光を取りのぞいた上で微弱光を検出できる装置で測定し、データに合わせて開発したアルゴリズムを用いて雑音を除去。パルスレーザー後の発光確率を導出し、4He2エキシマーによるものであることを同定した。

中性子が液体ヘリウム中に微量に存在する3Heと反応し、荷電粒子を放出して4Heに刺激を与えるほか、ビーム由来のガンマ線によって4Heが励起し、4He2エキシマーは形成されるのだという。今後、3He由来の4He2エキシマーを増やすよう調整することで超流動ヘリウム中の流れを可視化できるようになることが期待される。

超流動ヘリウム量子乱流中の常流動成分の挙動を可視化し、量子乱流機構の解明が進めば、太陽などの天体の研究、飛行機の風洞実験のような産業利用、身近なところで天気予報の精度を上げることにも成果は活かされる。また超流動中の熱は常流動成分によって運ばれることから、強磁場大磁石などの冷却に用いられている超流動ヘリウム中の熱流を可視化でき、低温機器の安全設計など実用面でも応用が可能だ。さらには、この技術はヘリウム中の中性子反応を可視化することでもあるので、ダークマターなど外部から飛来する未知の粒子の検出器としての応用も期待される。

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