地球上で最も明るい強力なX線ビームを生成する新たな方法により、物質の3D画像を驚異的な解像度で作成することが可能になりました。この「超高輝度X線源（Extremely Brilliant Source）」は先月、フランスの欧州シンクロトロン放射光施設（ESRF）に正式に開設され、科学者たちは既にCOVID-19の原因となっているコロナウイルスの研究に使用しています。このX線ビームは、化石、脳、電池、その他数え切れないほど多くの興味深い物体の内部を原子レベルまで画像化し、これまでにない情報を明らかにし、科学研究を飛躍的に発展させます。
骨折時に受けるような一般的な医療用X線検査では、医師は特定の骨折部位とその周囲の組織の詳細な情報を得ることができます。X線は体内を透過し、組織によって吸収率が異なります。体を通過したX線は検出器に当たり、おなじみの白黒のX線画像を生成します。超高輝度X線源（EBS）は、病院で使用されるX線よりも10兆倍も強力なX線を生成します。このX線を使えば、科学者は骨折部位の周囲の血球内の個々の原子まで見えるほど詳細な3D画像を作成できます。もちろん、このX線を浴びたくはないはずです。放射線量は致命的だからです。
超高輝度光源（ESRF）が拓く可能性は無限大と言えるでしょう。ESRF事務局長のフランチェスコ・セッテ氏が特に関心を寄せている分野の一つは、脳の構造と機能に関する研究です。この研究は、将来的には脳のようなエレクトロニクスの実現につながる可能性があります。「これは神経科学だけでなく、人間の脳の構造を次世代のデバイスに利用しようとするあらゆる応用分野にとって、大きな革命となるでしょう」とセッテ氏は語りました。
シンクロトロンX線画像撮影を用いることで、エンジニアは革新的な材料に関する知見を得ることができ、航空宇宙工学やナノエレクトロニクスといった分野に貢献できます。古生物学者は、化石のサンプルを破壊することなく、微細な内部構造を研究することができます。今年の夏、超高輝度X線源（EBS）を初めて利用した研究者たちは、COVID-19で亡くなった人々の肺全体を画像化し、これまで見えなかったウイルスによる損傷を顕微鏡レベルで特定することに成功しました。
シンクロトロンとは、磁場を用いて荷電電子を高エネルギーまで加速し、シンクロトロン光とも呼ばれるX線を放出する粒子加速器です。（例えば、大型ハドロン衝突型加速器（LHC）とは異なり、シンクロトロンループ内を高速で周回する粒子は互いに衝突することはありません。）高速で周回する電子によって生成されたX線は、加速リングから44のビームラインと呼ばれる専用実験室に送られます。研究者たちはこれらのビームを用いて標的を画像化します。ここ数十年、シンクロトロンを基盤とした科学は、様々な画期的な成果を生み出してきました。最近では、孵化前の恐竜の卵の内部を観察したり、火山噴火によって破壊された古代の書物を解読したりすることが可能になりました。
フランスのグルノーブルにある欧州シンクロトロン放射施設（ESRF）は1994年から稼働しています。以前のX線源は既に世界最高出力を誇っていましたが、今年のアップグレードにより出力は100倍に増加しました。施設は2018年12月に閉鎖され、超高輝度X線源（EBS）への移行が始まりました。幸いなことに、COVID-19のパンデミックによって8月25日の正式開所が遅れることはなく、プロジェクトは予定より約5か月早く進んでいました。研究者たちは既にビームを使用しており、セッテ氏によると、シンクロトロンでの最近の研究から得られた最初の成果はまもなく発表される予定です。
この大幅なアップグレードを可能にしたのは、直径844メートルのリングの周囲に電子を駆動する1,100個の磁石からなる格子状の磁石の新設計です。これらの磁石は電子を加速するだけでなく、わずかな「キック」を与えて方向を変えます。このわずかな方向転換がX線生成の鍵となります。
「荷電粒子の軌道を変えると光が発生します」とセッテ氏は説明した。「この光がシンクロトロン光と呼ばれるものです。」
これはエネルギー保存の法則の単純な問題です。電子ビームを曲げて直線ではなくループを描くようにすると、電子は方向を変えるたびに少しずつエネルギーを失います。この失われたエネルギーは光の形で現れます。放出される光をX線周波数域にするには、より強力な磁気の「キック」を与える必要があります。新しい磁石格子設計により、電子ビームを連続的に曲げ、再収束させることが可能になり、リング施設を大型化することなく、大量の高エネルギーX線光を生成することができます。
シンクロトロン科学によって劇的に発展する可能性のある分野の一つは、組織の顕微鏡的研究である組織学です。現在、組織学者は組織を非常に薄い多数の標本に切り分け、染色することで微細構造を明らかにしています。シンクロトロンイメージングでは、標本を切片化したり染色したりする必要がなく、研究者は標本全体を画像化できるため、解剖学的構造についてより詳細な情報を示す高解像度の3Dスキャンを作成できます。
「これは『3Dナノ組織学』と呼ばれ、医療界にとって夢のような技術です」とセッテ氏は述べた。「組織学の実施における完全な革命と言えるでしょう。」
欧州シンクロトロンの旧型を用いて研究を行った科学者の一人に、アムステルダム国立美術館科学部門のポスドク研究員であるヴィクター・ゴンザレス氏がいます。ゴンザレス氏は、シンクロトロン画像を用いて何世紀も前の絵画サンプルを定期的に研究しています。彼の研究により、最近、レンブラントの絵画技法に関する詳細な情報が明らかになりました。
「私の研究コミュニティにとって、ESRFのアップグレードは非常に重要です」とゴンザレス氏はメールで述べています。「この施設の最先端の分析能力により、貴重なサンプルをこれまで以上に迅速に分析できるようになります。以前は数日かかっていた実験が、今ではたった午後で完了します！私たちにとって、これは膨大なデータが突然入手できるようになり、歴史的な塗料層に潜む化学的メカニズムを理解する新たな機会が生まれることを意味します。」
超高輝度光源（EBS）が稼働を開始したことで、世界中の科学者がビームラインの利用時間を申請できるようになりました。これは競争の激しいプロセスであり、研究者がシンクロトロンを利用するには、研究申請が査読を通過する必要があります。しかし、この新たなアップグレードにより、これまで数週間かかっていた実験が1日で完了できるようになりました。かつては1日かかっていた実験が、わずか数分で完了するのです。今後数ヶ月間、多くの刺激的な科学研究成果が発表される予定ですので、どうぞご期待ください。
