科学者たちは、宇宙の極小スケールにおける仕組みを解明するのに役立つ、極めて強力なX線ビームを放出する準備を進めています。このビームは、カリフォルニア州メンロパークにある全長2マイル（約3.2キロメートル）の粒子加速器のアップグレードによって可能になりました。この加速器は、電子を光速の99.9999999%（時速約6億7000万マイル）まで加速し、光合成の仕組みや物質の電気伝導機構といった謎を解き明かす画像を生成します。
SLAC国立加速器研究所の新しいX線は、従来の装置で生成されるX線よりも1万倍明るくなり、物質と原子の研究に新たな時代をもたらすでしょう。こうした科学は、電力網、コンピューター、新薬といったより大きなものに対する私たちの理解を変革することにつながります。
今必要なのは、加速器を華氏マイナス456度まで冷却し、加速器全体を調整して、加速器内を移動する電子が毎秒100万回のX線パルスを生成できる速度に達するようにすることだけです。レーザーの冷却は3月に開始され、4月末までに完了する予定です。
「科学の観点から言えば、これは国家にとって、そして世界にとって重要です。なぜなら、科学の進歩によって、私たちはより高性能なスマートフォンを手に入れ、リモコンと通信できるようになり、その他、私たちが当たり前だと思っているあらゆるものを自分で作れるようになるからです」と、加速器局の副所長アンドリュー・バリル氏は昨年秋に私に語った。「ほとんどの人は冷蔵庫がどのように機能するかなど気にしません。ただ、ちゃんと動くことを望んでいるだけです。スマートフォンもインターネットプロバイダーも同じです。しかし、こうした科学の進歩によって、これらすべてのものが改善するのです。」
新しいレーザーはLinac（線形加速器の略）Coherent Light Source-IIと呼ばれ、13年前に設置された前身の装置と並行して稼働する。オリジナルのLCLSは世界初の硬X線自由電子レーザーで、原子核に結合していない電子を動かすことで最高エネルギーのX線（電磁スペクトル上でガンマ線の手前）を生成する。LCLSは全長2マイルの管内で電子を加速し、毎秒120個のX線パルスを生成する。加速器の遠端では、研究者がX線ビームを実験に照射し、骨折の診断画像よりもはるかに詳細な画像を生成する。新しいLCLS-IIも機能は同様だが、超伝導体を使用することでX線出力が毎秒100万パルスにまで跳ね上がり、これは現在のどの施設の能力をも超えるものだ。
LCLS-IIは、日常のテクノロジーの改良に大きな影響を与えます。よほど頑固で（そして注意深く）ない限り、今日使っている携帯電話は2010年のものとは違います。実際、10年前に使っていた携帯電話のバッテリーは、おそらくとっくの昔に切れているでしょう。しかし昨年、LCLSの研究によって、重いバッテリー部品の重量を80%削減し、バッテリーの発火を自動的に消火する新しいバッテリー設計が生まれました。医薬品やスマートフォンといった現代の製品の改良は、極めて小さなスケールで行われています。つまり、原子レベルの問題解決であり、それが私たちの日常生活におけるマクロスケールの物体の形状や設計を変えているのです。
楽器
SLACでは、有機物質の探査から金属片の爆発実験まで、様々な研究分野において異なる機器が使用されています。LCLS-IIのX線パルスのアップグレードは、これらの研究全般に役立ち、科学者が分子レベルでの反応の動画を撮影することを可能にします。毎秒100万パルスのX線パルスにより、SLACはこれらの分子動画をストップモーションから4Kへと実質的にアップグレードしています。
コヒーレント社のX線イメージング装置は、例えば、シアノバクテリアに含まれるタンパク質をレーザーで粉砕した際にどのように反応するかを観察するのに使用できます。LCLS-IIは、科学者がこの反応をより詳細に観察できるようにします。「現時点では、反応を捉えるためにX線ビームの前でサンプルを採取していますが、X線の間にギャップがあるため、多くのデータが無駄になっています」と、コロンビア大学の生物物理学者ジェームズ・バクスター氏は述べています。「しかし、より多くのX線が入射するようになれば、より多くのショットを撮影し、より迅速かつ効率的に、より少ないサンプルでデータを取得できるようになります。」
レイブのストロボライトを想像してみてください。ストロボの点滅が速ければ、基本的に光が点灯しているように感じます。点滅が不規則であれば、暗闇の合間に部屋の様子が垣間見えるだけです。バクスター氏は「こういう実験は本当に楽しい」と述べましたが、これもレイブとの類似点と言えるでしょう。バクスター氏のような研究者は「ユーザー」と呼ばれ、実験を行う間、3～5日間、特定の装置を貸し切ります。SLAC所属のビームライン科学者がサポートにあたり、研究者の仕様に合わせて電子ビームを調整します。
10月にSLACを訪問した際、コーネル大学の物理学者アンドレイ・シンガー氏と彼のチームは、X線相関分光装置を用いて、ルテニウム酸カルシウムのサンプルが絶縁体から金属に変化する様子を観察していました。この変化は材料の電気伝導性を大幅に低下させ、ピコ秒単位で起こります。（LCLSはフェムト秒、つまりピコ秒の1000分の1（それ自体が1兆分の1秒）の時間スケールで画像を撮影します。）「私たちは、超高速の時間スケールで凝縮系を画像化することに興味があります」とシンガー氏は述べ、LCLS-IIによって「解像度を5倍から10倍向上させることができるでしょう。そして、明らかに今は見えないものが見えるようになるでしょう」と付け加えました。
レーザー
これらの実験ホールでは、毎日、私たちの周りの世界を構成する基本的なプロセスが探求され、あるいは限界まで追い詰められ、実験から収集されたデータは容赦なく調べられます。ホールはハローキティの壁紙、ルチャドールの記念品、そして強力な装置の中で働く様々な人々の個性を描いた落書きで飾られています。加速器からX線を運ぶパイプは、実験を行う順番が来た研究者たちが吸い込む高エネルギーの血流のように、実験ハッチの中を走っています。レーザーが作動すると、各部屋で明るい紫色のインジケーターライトが点灯します。
線形加速器には、ヘリウム漏れや放射線問題が発生した場合に備えて、広範な警報システムと避難室が備え付けられている。受信側の研究者は実験を開始する際、「捜索中！」と叫びながら、ハッチの四隅を捜索する、とパシフィック・ノースウエスト国立研究所のスタッフサイエンティスト、エリサ・ビアシン氏は説明する。ハッチ内に人がいないことを確認すると、特別な扉が開き、部屋と建物の他の部分が遮断される。「X線は物質を電離させる可能性があるため危険です」とビアシン氏は述べ、「体の軟部組織のようなものを電離させたくはありません」と付け加えた。
スタンフォード大学の物理学者でSLACのパノフスキーフェローでもあるベンジャミン・オフォリ＝オカイ氏は、レーザービームの照射によって物質が「スープ状になる」と説明する。近くで聞くと、反応音は「ポン」という音のように聞こえるという。
これらの物質が変化する「スープ」はプラズマであり、扱いが難しい物質です。しかし、LCLSは便利です。「プラズマは光を多く反射する傾向があるため、光を使って調べようとすると困難になります」とオフォリ＝オカイ氏は言います。「例外はX線です。X線はプラズマを非常によく透過することが分かっています。だからこそ、LCLSはこのような複雑なシステムを調べるのに非常に優れたツールなのです。」
チューブ
LCLS-IIは、電子を銅管に送り込むのではなく、超伝導ニオブ金属でできた一連の空洞に通すことで、前身の装置よりもはるかに多くのパルスを処理できます。もしLCLSの銅管にこれほど多くの電子パルスを送ろうとしたら、銅管は溶けてしまうでしょう。
37本の超伝導管はクライオモジュールと呼ばれます。その超伝導能力は、ほぼ絶対零度に近い温度によるものです。クライオモジュールは華氏-456度（2ケルビン）まで冷却されます。電子が2マイル（約3.2キロメートル）を移動するための、実質的に摩擦のない経路を提供します。
LCLS-IIの電子は、小型の加速装置である電子銃によって生成されます。セシウムテルル化物光電陰極（光電陰極とは、光子（光の粒子）を電子に変換する表面）に駆動レーザーから紫外線が照射され、多数の電子が放出されます。電子銃内部には電子を励起する高周波場があり、電子は最初の加速クライオモジュールに直接放出されます。
この騒ぎの中でも特に目を引くのは、地下加速器の全長にわたって伸びる建物だ。SLACの職員は、これを「世界最長で最もまっすぐな建物」と常々表現している。これはクライストロン・ギャラリーと呼ばれるもので、重さ2,500ポンド、高さ6フィートのキャニスターが収容されていることからこう名付けられた。このキャニスターはマイクロ波パルスを発生させ、LCLSの電子がその上に乗る。クライストロンは電子レンジの6万倍もの電力を発生する。このパルスに乗ることで、同じ電荷を持つ電子は互いに反発し合う性質を持つが、電子はまとまった状態を保つことができる。これは、反対側でX線を生成するために重要な役割を果たす。
ギャラリーにあるクライストロンに加え、LCLS-IIには固体増幅器も設置されています。これは、LCLS-IIにおけるクライストロンの役割と似ています。これらの増幅器は無線周波数を生成し、真空管を通して約7.5メートル下にあるクライオモジュールへと送ります。「無線周波数の波に乗っているだけです」とバリル氏は言います。
クライオモジュールは液体ヘリウムを輸送し、近くのクライオプラントと呼ばれる建物で冷却されます。クライオプラントは、線形加速器の過冷却を可能にするために過去4年間かけて建設されました。クライオプラントには、窒素とヘリウムを貯蔵する複数の容器が詰め込まれており、そのうちの1つには元エネルギー長官のリック・ペリーの署名が入っています。この容器がなければ、この作業全体が失敗に終わるでしょう。
これらの管は真空ではありませんが、クライオモジュール内の電子は真空であるため、高周波は加速器側面にある「ウィンドウ」と呼ばれるセラミックディスクを通過します。このウィンドウは真空への空気の侵入を遮断しますが、高周波は通過します。LCLS-IIの電子はクライオモジュールを通過すると、ほぼ光速の列車の終点まで猛スピードで航行します。
それらのストッパーとなるのは、加速器後端のアンジュレータで、一連の磁石を使って電子の集まりを管の中を案内します。磁石は交互に電荷を帯びているため、電子の集まりはあちこちに跳ね返り、その間ずっとX線を放射します。そして、これらのX線には2種類あります。エネルギーが強い（または「明るい」）ことからそう呼ばれる硬X線と、明るさは劣るものの試料の取り扱いがより繊細な軟X線です。また、硬X線と軟X線のハイブリッドである柔らかいX線もあり、これは硬X線と軟X線の両方でよりよく見える成分を持つ物質を独特な方法で垣間見ることができます。LCLSはパルスレートによって制限されていましたが（SLACは銅の加速器を溶かしたくなかったため）、超伝導加速器は電子を途切れることなく流します。
「光子の数が増えたので、科学研究に使えるX線も増えました」とバリル氏は述べた。「データ収集の場合…1秒間に120ショットだと時間がかかります。しかし、1秒間に100万ショットなら、全く時間がかかりません。」
ラボ
LCLS-IIとLCLSが登場する以前、SLACがありました。宇宙の基本的な構成要素を解明しようとしたスタンフォード大学の物理学者によって1962年に設立されたSLACは、サンフランシスコ南部に位置する複数の研究所から成り、驚異的な科学成果を生み出してきました。SLACでの最初の発見は素粒子とは全く関係ありませんでした。発掘作業中に、作業員が中新世の哺乳類の化石骨格を偶然発見したのです。しかし、この最初の発見以来、彼らは主に物理学に専念し、SLACの科学者はこれまでに4つのノーベル賞を受賞しています。化学賞1つ、物理学賞3つです。物理学賞は、チャームクォーク（1976年）、素粒子物理学のクォーク模型（1990年）、そしてタウレプトン（1995年）の発見によるものです。
SLACでの長年の研究を通して、一部の科学者は衝突実験の副作用を利用できることに気付きました。それは、電子が軌道を変える際に放射線を放出するというものです。この副作用は、粒子の衝突の様子を観察しようとする人々にとっては厄介なものでしたが、高エネルギーX線を画像化に利用しようとする人々にとっては非常に有用なものです。
LCLS-IIという並外れたプロジェクトはほぼ完了に近づいているが、最終段階は複雑であると同時に不可欠だ。このクライオプラントを管理するエリック・フォーブ氏はメールで、「現在冷却作業が進行中」であり、「2022年の晩秋にはX線生成という最初のマイルストーンを達成できる見込みだ」と述べた。
しかし、数百万ドル規模の価値のある物理学プロジェクトであれば、次回のアップグレードだけでなく、さらにその先のアップグレードも計画している。オフォリ＝オカイ氏や暗黒物質の探査に取り組む物理学者を含む一部の研究者は、LCLS-IIの高エネルギーアップグレード、LCLS-II-HEという名にふさわしいアップデートを心待ちにしている。
「SLACが設立された当時は、素粒子物理学の研究所だったことを思い出してください」とオフォリ＝オカイ氏は述べた。「LCLSは、現在SLACの主要な価値ある成果と言えるでしょう。少なくとも、SLACが最も外部にアピールしているものです。しかし、当時は存在せず、誰もそれが実現するとは思っていませんでした。高エネルギー物理学の分野では、フェムト秒X線パルスというアイデアに全く関心を寄せていなかったのです。」
確かに状況は変わりましたが、LCLS-IIでまもなく稼働するX線パルスでさえ、最終的にはより優れた技術に置き換えられるでしょう。しかし、毎秒120パルスから100万パルスへの飛躍は計り知れません。ですから、次の大きな目標へと進む前に、これらの明るいX線と、それを生み出すために必要とされる膨大な数の機械、物流、そして人材をじっくりと味わう価値はあるかもしれません…たとえフェムト秒だけでも。
続き：世界最大のデジタルカメラが過去を振り返る準備がほぼ整いました
訂正：この記事の以前のバージョンでは、LCLS-IIのX線は従来の装置よりも10億倍明るくなると述べていましたが、実際には1万倍の明るさになります。当初のLCLS X線は、従来の装置よりも10億倍も明るかったのです。
