こんにちは、加速器班の二回目です。

前回は、加速器の概要について書かせていただきました。今回は、実際に作るにあったって課題となることを書きたいと思います。加速器の制作に当たって加速機構の設計だけが問題になるわけではありません。加速機構の種類については前回お書きした通りです。

まず、真空についてです。素粒子というのは、多くの場合反応しやすいものです。今回僕らが使おうとしている電子線は別名ベータ線と呼ばれるもので、人間が浴びると有害つまり身体の組織と反応しやす性質を持っています。このため、待機中では空気と反応して目標の素粒子を確認することができません。そこで、空気を抜こう！という話になります。大気圧はだいたい10⁵Paですが、現在最先端の研究では10^-9Paまで気圧を下げてしまうこともあります。今回の実験では10^-3-10^-4Paぐらいの気圧を確保できれば大丈夫です。

次に、イオン源です。素粒子というのは、科学の実験のように電子試薬瓶があるわけではありません。自分たちで作り出す必要があります。電子を作る方法は大きく分けて3つあり、1つめ金属を温める方法、2つめ放電を起こす方法、3つめ光を使う方法があります。今回は1つめの金属を温める方法を用います。具体的には、タングステンのフィラメントに電流を流して熱します。イメージとしては豆電球のような感じです。

今度は、電源です。実験で用いるためには、正確な電圧、電流の値を測定また目標に近づくように調整する必要があります。よって乾電池で代用したりすることは難しいです。また、大きな電圧、大きな電流を流すため専用の装置を使わないと電源が壊れてしまったり、目標の電圧が出なかったりします。

最後は、検出器です。研究の多くは検出器にかかっていると言っても過言ではありません。検出器に多くの影響を与えるのが電磁波ですが、加速器ではこれがたくさん出ます。よって、電磁波に注意して検出器を作らなければなりません。

以上のように、加速器と言いつつ加速機構自体よりも他のところに関する作業が多く、実は大変です。高校の問題で「電子を出せば」、「容器内は真空にした」などと書かれているところが実際に実験するときは大変です。

こういった、器具についても五月祭では展示する予定なので是非ご覧になってください。

お久し振りです、計算機班です。
私達計算機班は班員一人ひとりがそれぞれ自分のプログラムを作っています。
今回は現在制作中のプログラムの一部を紹介したいと思います。（五十音順）


【イジング模型】（古川）
皆さんご存知のように磁石に鉄を近づけると引き寄せられます。それではこの磁石を炎で加熱し続けるとどうなるでしょうか。実はある温度を越えたところで急に磁力がなくなってしまいます。この温度をキュリー点といいます。このような磁石の振る舞いをミクロな視点から見るために考え出されたのがイジング模型です。
物質を構成する原子はひとつひとつ小さな磁石の性質を持っています。この小さな磁石は上か下かのどちらかを向いており、プログラムは100×100個の原子が並んで上または下を指している状態を白黒で表現しています。磁石はある温度を持っていますので、熱による揺らぎから小さな磁石は常にパタパタとひっくり返っています。これだけではただの磁石の集まりであまりおもしろくありません。そこで、この小さな磁石に隣の磁石と同じ方向を向こうとする性質を持たせてみます。これがイジング模型です。これで一体なにが起こるのでしょうか。
温度がゼロで熱による揺らぎがまったくない状態では、すべての磁石が同じ方向を向き全体として磁石の性質を示します。しかし、温度が高くなっていくとだんだんひっくり返る磁石が多くなっていきます。それでもまだ同じ向きに並んだ磁石の方が多く、全体として磁石になっています。ところが、ある温度を越えると熱によるひっくり返しの効果が同じ向きに並ぼうとする効果を上回ります。すると小さな磁石たちは混乱を極め、お互いに打ち消しあって全体としては磁石でなくなってしまうのです。
私はこれを再現したプログラムを作りました。五月祭当日では右のスライダーで温度を変えて、小さな磁石の向きがどのように変わっていくかを確かめてみてください。


【宇宙シミュレーション】（森脇・周）
宇宙理論の研究現場においては、実際の観測結果とシミュレーションの結果を照らし合わせることにより理論の検証が行われることもあります。
今回の五月祭の展示では、ビッグバン当初ほぼ一様に質量が分布していた状態から星や銀河が形成された過程をシミュレーションにより見てみようと思います。このシミュレーションでは、たくさんの粒子によって密度分布を表し、それらの相互作用として重力と圧力を考えます。
図は粒子1000個でシミュレーションを行ったものです。密度が大きすぎると全粒子が中心に固まってしまいますが(図左上)、適当な大きさの時には所々に粒子の集まる場所ができる可能性があり、これが初期の星になると考えることができます。
※t=0.png（図右上）、t=50.png（図左下）、t=100.png（図右下）は粒子の位置の時間変化。t=100.png などは分布に構造の片鱗が見えている？まだ試作段階。


【交通流シミュレーション】（羽柴）
渋滞はなぜできるのか？ 渋滞はいつできるのか？ そもそも、渋滞とは何なのか？
車の流れに対しては、いわゆる普通の物理で使う方程式はほとんど使い物になりません。たとえば、後ろの車は前の車が遅いと自分も減速しなければなりませんが、前の車は後ろの車が迫ってきたからといって加速する義務はありません。つまり、前の車と後ろの車は対等ではないのです。こういう、「対等じゃない（非対称）」というのが物理学や数学はとても苦手です。そこで数値解析（シミュレーション）の出番となるわけです。
このシミュレーションでは現実に起こっていることをコンピュータ上に再現する為に、必要最小限のルールだけを抜き出す「モデル化」が肝になります。今回はあまり表に出てこないこのモデル化の過程についても展示しようと思っています。モデルが進化するにつれてコンピュータの中に次第に鮮明な車の流れが浮かび上がるのをご覧下さい。（画像はきわめて簡単な「トイモデル（おもちゃのモデル）」と呼ばれる類のモデルです。）

ここに挙げたもの以外についても今後紹介予定です。
お楽しみに！

机の上に、コインが一枚、置かれています。ごくふつうのコインで、表には絵が、裏には年号が刻まれています。このとき、「表と裏のどちらが出ていますか？」と尋ねられると、誰もが答えられるでしょう。

もちろん、コインの表裏の判別は、コインの種類によりません。それが1円玉であっても500円玉であっても、あるいは日本のコインであっても外国のコインであっても、表裏のルールさえ知っていれば判別することができます。また、いったん表であることを確認したコインは、少し目を離して、しばらくしてから見ても、表を向いているはずです。ずいぶんとあたりまえのことを言っているような気がします。

それでは、コインを肉眼では見られないほどにどんどん小さくして、量子（電子・陽子・光子など）の大きさの「コイン」を作ることができたらどうでしょうか。このとき作られた量子の世界の「コイン」も、日常のなかで用いられるコインと同様に、表裏の判別は可能であるという直観が働くのではないでしょうか。

しかし、量子の世界は日常の「あたりまえ」の直観には従うことはありませんでした。実際には、表と裏の中間状態、すなわち表と裏の「重ね合わせ」状態が見られるということがわかっています。「重ね合わせ」と言っているのは、一つのコインの表裏を判定しようとしても、あるときは表、またあるときは裏が観察されるということです。日常のコインとは異なって、表が出るのか裏が出るのかは、特殊な場合を除いて決定されません。ただし、表と裏が出る確率だけはわかります。

ここで注意しておかなければならないのは、コインの表裏が確率的にしかわからないというのは、たとえば「表が 60 枚、裏が 40 枚の計 100 枚のコインから一枚選び出したとき、表が出る確率は 60 % 、裏が出る確率は 40 % である」というのとは性質が異なるということです。この例では、コインの表裏はわたしたちが見る前から決まっていて、「表裏が確率的にしかわからない」というのは、表と裏が混合されていることによります。量子の世界で表裏が確率的にしかわからないというのは、この意味ではなく、コインの表裏はわたしたちが見ることによって初めて決まります。

ミクロスケールの世界をつかさどる「量子論」が多くの現象や概念をもたらすのは、この「重ね合わせ」状態にあります。そして、「量子コンピューター」に代表される量子計算・量子情報技術の根源も、この「重ね合わせ」状態が直観を超えていることにあります。

最後に、アインシュタインの有名なエピソードを引用しておきます。アインシュタインの直観は現代から見ると誤っていたものの、その問いは量子論の本質を鋭く突くものでした。

みなさんお久しぶりです、超伝導班の2回目の投稿です！前回は超伝導がどんなものかを簡単に説明しました。しかし、どんな物質でも温度を下げていけば超伝導を示す、というわけではありません。今回はそこで具体的にPhysicsLab. 2016の実験で使用している超伝導体を紹介して、その作成風景も見ていくことにしましょう。

私たちが今回使っている超伝導体は、イットリウム系超伝導体の通称"YBCO"という、超伝導体の中でも比較的有名なものです。このYBCOはいわゆるセラミックの一種で、陶器などと同じように原材料になるものをよく混ぜて押し固めたものを長い時間焼き固めることで作られます。その作成時の様子を写真でたどってみましょう。

まずは原材料の粉末を乳鉢の中にいれてよく混ぜていきます。



均等に混ざったら、圧力をかけてペレット状(薬の錠剤のような形)に押し固めていきます。



これを電気炉の中に入れて熱していきます。熱するときの温度はおよそ900 °C、この状態にほぼ丸2日間さらします！



これで焼き固まって完成と思いきや、この状態だとあまりよく超伝導の性質を示しません。そこで、一旦ペレットになっているものを乳鉢で砕いて、それを再びよく混ぜていきます。



それを再びペレットにします。先ほどの熱する前のペレットとは色が変わっているのがわかりますか？



そして、再度電気炉の中で熱します。今度は先ほどよりも長い時間熱して、途中からは酸素も投入しながら熱していきます。詳しい説明はここではしませんが、実はこの酸素の量が超伝導が現れるかどうかに大きく関わってくるのです。こうして超伝導体が完成します！



五月祭当日にはこのように私たちが実際に作成したこの超伝導体を用いた展示も行う予定です。ぜひいらしてください。次回の更新もお楽しみに。

こんにちは、今回はBEC班の第2回目です。
前回は、極低温で現れる不思議な現象「BEC」について簡単に紹介しました。そこでBECが起こるのは絶対零度（これ以上下がらない限界の温度、約-273 °C）付近といいましたが、その値はなんと絶対零度から0.0000001°Cだけ上なのです！　こんな低温は身の回りには存在しません。しかし、科学の発展は素晴らしいもので、そんな低温を可能にする技術があるのです。今回はそんな極低温を実現するために必要な方法の1つを紹介したいと思います。

ここでまず温度について考えてみましょう。私たちのまわりにある空気は、原子や分子という小さな粒からできていて、その粒が飛び交っています。温度はこの粒の動きの激しさを表しているといえます。つまり、温度が高いときは粒が激しく動いていて、温度を下げていくとその動きが穏やかになっていくといった具合です^*1。すると、あるものの温度を下げるにはそのものの動きを遅くしてあげれば良いと考えることができます。

今、先程のような原子を冷やしたいとすると、その動きを遅くするには何かを逆方向からぶつけてあげれば良いことになります。ここで何をぶつけるかが問題となりますが、原子の冷却にはレーザー、つまり光が用いられます。このレーザーを用いた「レーザー冷却」^*2は原子を極低温まで（しかも一瞬で！）冷やすことができ、BEC生成に限らず様々な方面で応用されています。

ただ、ここまでの話で疑問が湧いてくるかもしれません。どっちに動いているかも見えない原子に対しては、逆方向だけでなく動いているのと同じ方向にも光が当たって、逆に加速させてしまうのではないか？
しかし、そのようなことは光のある性質のために実は問題にならないのです！　ここでは詳しくは説明しませんが、その性質は救急車のサイレンの音の高さが変わって聞こえる現象「ドップラー効果」と関係しています。光にもドップラー効果があり、光の振動数（光の色）を調整すると、動いている原子が同じ方向から来る光を受けにくくすることができるのです（つまり加速はされにくい）。

BEC班では、五月祭当日に、その光の性質を含めたレーザー冷却の原理を分かりやすく説明します。さらに、レーザー冷却で極低温まで冷やされた原子集団もお見せする予定ですので、是非お越しいただければと思います。

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^*1例えば、私たちも暖かい日ほど活発になりますよね！
^*2この技術に対してノーベル物理学賞が出ています。

こんにちは！
PhysicsLab. 2016のブログ、真空ゆらぎ班2回目の記事です。
更新頻度が増えましたね。これから本番に向けてどんどん盛り上がっていきます。Stay tuned!
さて、前回の記事では真空ゆらぎ班が何を目指して活動しているかを紹介しました。今回はその活動内容についてご紹介しましょう！

前回のおさらいをしておくと、真空ゆらぎ班では「カシミール効果」を検出することが目的です。カシミール効果とは、身近な重力や磁力などと同じように物を引き合わせる力、つまり「引力」が生じる物理現象です。しかし、その強さはたいへん小さく、人間が直接感じることのできるようなものではありません。カシミール効果を検出するには、何らかの工夫が必要なのです。

そこで使われるのが「ねじればかり」と呼ばれる装置です。つくりは至って簡単。図のようにおもりのついた棒を振り子のようにして、ヒモやワイヤーでもってぶら下げてしまえば完成です。ねじればかりは吊るしただけですから、わずかな力に対してもねじればかりは敏感に反応するようになります。そのことを使って微小な力の検出を行う、というわけなのです。


私たちの実験では、ねじればかりに対して図のようにカシミール効果による引力が働くようにしてあります。すると、ねじればかりには、矢印の向きに回転するように運動することがわかります。さらに、引力が弱ければあんまり回転しませんし、強いとたくさん回転しようとします。ねじればかりの回転の様子を見ることで、引力の強さも調べることが出来るようになるのです。便利ですね！


しかしながら、弱い力に対しても敏感に揺れが生じる、ということが仇になってしまうこともあるのです。例えば、ねじればかりの近くでしゃべったりすると、声による振動がねじればかり伝わってしまいます。あるいは、ねじればかりの近くを歩くと、地面の振動がねじればかりに伝わってしまいます。ねじればかりは、こういった周囲の状況から生じた振動なども敏感に受け取ってしまい、検出したかったはずの「カシミール効果」による揺れが見えなくなってしまうのです。

そこで、カシミール効果によるねじればかりの揺れだけを観察するために、真空ゆらぎ班ではねじればかりに更なる工夫をしています。写真は、私たちが設計し制作した実験装置を映したものです。オレンジ色の、銅で出来た部分がねじればかりです。



今回は、私たちの実験について簡単な説明をいたしました。五月祭当日は、今回紹介した装置も展示予定です。お楽しみに！

こんにちは。今回は透明マント班の2回目のブログになります。前回の投稿で、「何もない状態と同じように見えていれば、何もないと感じ取る訳です。」と書きました。今回は、それについて、実際に行った数値シミュレーションの結果を見ながら考えていきましょう。

そもそも、普段光がどのように進んでいるかを意識したことがある人はあまりいないのではないかと思います。そこで、まずは何もない場所で、光の波がどのように空気中を伝わっていくかのアニメーションを見てみましょう。

細かい物理的な説明は省いて、上のアニメーションで、赤と青の縞模様が光を表していると考えてください。上のように、何もない空間では、赤と青の縞模様はかき乱されることなく、まっすぐと左から右へと進んでいきます。

それでは、これと比較して、空気中にリングの形をしたガラスを置いてみましょう。

アニメーションを見てもわかるように、何もない時とでは大きく様子が異なっています。特にガラスリングの右側に注目してください。先ほどはかき乱されることなく真っ直ぐ進んでいた光が、ガラスの存在によってかき乱されているのです。これにより我々は何もない時とガラスがある時の違いに気付くことができ、「そこにガラスがある」と認識するわけです。それでは、ガラスの左側にいる人がガラスを認識できないかというと、そんなことはありません。もう一度アニメーションを注意深く見てみてください。ガラスの左側についても、赤と青の縞模様が波打っているのがわかるはずです。これは、いわゆる「反射」による効果を表しています。やはり、ガラスの存在を認識できるわけです。

最後に、私たち透明マント班が目指す「透明マント」を置いてみましょう。

これを見ると、先ほどのガラスと同じ形状のものが置いてあるにもかかわらず、リングの右側および左側では、何事もなかったかのように、赤と青の縞模様は乱されることなく真っ直ぐ進んでいるのです。

なぜ、これが透明マントになるのでしょうか。それは、ガラスによって波が乱されているのと違って、リングの右側と左側で「何もない状態と同じ」なので、我々は、「何もないと感じる」からです。また、リングの中心に注目してみると、ガラスを置いた場合のアニメーションでは、光がリングの中心に侵入していますが、透明マントのアニメーションを見ると、リングの真ん中に光は侵入していないのです。このことから、リングの真ん中に何かを置いても、その物体に光が当たることなく、我々はそれを認識できないのです。

簡単な説明でしたが、透明マントの世界、楽しんでいただけたでしょうか。

前回までの投稿で全ての班の班長による1回目の班紹介が終わりました。如何だったでしょうか。今週から投稿のペースも上がり今後は更に詳しい内容になる予定です。お楽しみに。

さて各班の研究成果はポスター発表の形式で展示する予定ですが、ポスター以外の企画もいくつか準備しています。
まずは前回の投稿にも登場した物理ショー。物理ショー班は身近な物理現象を題材にした演示実験を行います。物理ショー班以外のいくつかの班も、ポスターだけではなく、目で見て、あるいは実際に動かして楽しめるようなコーナーを計画しています。また各班のテーマに関連したクイズなども制作中です。

物理に親しみのない方にも（もちろん詳しい方にも！）楽しんでいただける企画になるよう準備を進めて参ります。
PhysicsLab. 2016 に乞うご期待！