夢のガンマ線レーザーの実現に向けた開発が、新たな局面を迎えている。ロチェスター大学の研究チームが、量子電磁力学を駆使して超高エネルギーのガンマ線を制御し、世界最強のレーザーを開発する野心的なプロジェクトに着手した。この挑戦が成功すれば、物質の深淵を探る新たな道が開かれ、科学技術に革命をもたらす可能性がある。
量子電磁力学を用いたガンマ線レーザーへの挑戦
ロチェスター大学の物理学教授であり、同大学のレーザーエネルギー研究所の著名な科学者でもあるAntonino Di Piazza氏が率いる研究チームは、全米科学財団（NSF）の資金援助を受け、チェコ共和国のELI Beamlinesと協力して、この画期的なプロジェクトを推進している。Di Piazza氏は「コヒーレントなガンマ線を作り出す能力は、新しい種類の光源を生み出す科学革命となるでしょう。可視光やX線源の発見と開発が原子世界に対する我々の基本的な理解を変えたのと同様です」と述べ、この研究の重要性を強調している。
この試みが成功すれば、それは史上初のこととなるが、研究者らは、このプロジェクトがこの分野での先行研究を基礎とするものであることを指摘している。 これには、スタンフォード大学のSLAC国立加速器研究所、ドイツの欧州XFEL、日本のSACLAによる取り組みが含まれる。このプロジェクトの独自性は、量子電磁力学という高度な理論アプローチを用いている点にある。Di Piazza氏は「我々は量子論、つまり量子電磁力学を用いてガンマ線を生成しようとしています。これは、この問題に取り組む上で先進的なアプローチです」と説明する。この量子電磁力学的アプローチは、これまでの研究とは一線を画すものであり、ガンマ線レーザーの実現に向けた新たな可能性を切り開くものとして期待されている。
研究チームは、高速で移動する電子がレーザーと相互作用して高エネルギー光を放出する過程を詳細に調査する計画だ。この過程の解明は、ガンマ線レーザーの実現に向けた重要なステップとなる。まず1〜2個の電子による光の放出を観察し、その挙動を精密に分析する。その後、段階的に電子の数を増やしていき、最終的にはコヒーレントなガンマ線の生成を目指す。この段階的なアプローチにより、各段階での物理現象を詳細に理解し、ガンマ線レーザーの実現に必要な条件を明らかにしていく。
この研究プロジェクトは、ロチェスター大学の理論的専門知識とELI Beamlinesの先端的な実験設備を組み合わせることで、高強度レーザーの分野における米国と欧州の連携を強化する意味合いも持っている。ELI Beamlinesは、世界最高強度のレーザーを有する研究施設であり、その実験設備を活用することで、理論と実験の両面からガンマ線レーザーの実現可能性を探ることができる。
ガンマ線レーザーが実現すれば、その応用範囲は多岐にわたるだろう。より高解像度のイメージング技術の開発や、これまで不可能だった量子状態の探査が可能になると期待されている。また、密度の高い物体や材料のイメージング、例えば輸送コンテナのスキャンなどにも応用できる可能性がある。さらに、反物質の生成や核プロセスの研究など、基礎科学の分野でも革新的な進展をもたらす可能性がある。
このプロジェクトは、ロチェスター大学に計画されているNSF OPAL高出力レーザーユーザー施設の科学的根拠を強化することにもつながる。Di Piazza氏はこのプロジェクトの共同主任研究者でもあり、この施設が「グローバルな科学コミュニティにとってユニークなオープンアクセスリソースとなる可能性がある」と述べている。この施設の実現は、ガンマ線レーザー研究の更なる発展を促進し、国際的な研究協力の場を提供することになるだろう。
1960年代にレーザーが発明されて以来、科学者たちはレーザーのピーク出力を高め、より短い波長の干渉性光を生成する機器の設計に取り組んできた。これまでに可視光、紫外線、X線の範囲でコヒーレント光を生成することに成功しているが、ガンマ線領域での実現は依然として課題となっている。ガンマ線は電磁スペクトルの中で最もエネルギーの高い領域に位置し、その制御は極めて困難だ。しかし、Di Piazza氏らの研究チームは、量子電磁力学を駆使することで、この困難な課題に挑戦している。
「もちろん、そのような装置を作る前に、科学的に可能であることを示すことが第一歩です」とDi Piazza氏は述べている。
Source
- University of Rochester: Is a gamma-ray laser possible?
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