[論文レビュー] On the Observations of the Penetrating Radiation during Seven Balloon Flights

Victor F. Hess|arXiv (Cornell University)|Jul 23, 2018

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 5被引用数 12

ひとこと要約

ヴィクトル・F・ヘスは、1912年、3種類のウルフ電離計を用いて7回の高高度気球飛行を実施し、透過放射線を測定した。その結果、電離度が高度に伴い著しく増加し、5,200メートルの高度で地上値を100%以上上回ることが判明した。彼はこの放射線が宇宙空間から来ていると結論づけ、これが初の宇宙線の直接的証明となり、後にコルホルスターによって確認され、1936年ノーベル物理学賞を受賞した。

ABSTRACT

At the beginning of the twentieth century, the Austrian (later naturalized American) Victor Hess among others developed a brilliant line of research, leading to the final determination of the extraterrestrial origin of part of the atmospheric radiation. Before his work, the origin of the radiation today called "cosmic rays" was strongly debated, as many scientists thought that these particles came integrally from the crust of the Earth. There was however an active and rich research on the topic. Victor (at that time Viktor) Hess measured in 1912 the rate of discharge of an electroscope that flew aboard an atmospheric balloon. Since the discharge rate increased as the balloon flew at higher altitude, he concluded that the origin of part of the natural radiation could not be terrestrial. For this discovery, Hess was awarded the Nobel Prize in 1936, and his experiment became legendary. The fundamental article published by Victor Hess in 1912, reporting a significant increase of the radiation as altitude increases, is translated and commented here. The decisive measurement was performed in the last of the seven flights on aerostatic balloon described.

研究の動機と目的

• 地上でのウルフの観測結果と、高度が上昇するにつれて放射線が減少すると予想される地殻放射能モデルとの矛盾を解消すること。
• 制御された気球搭載測定を用いて、高高度における透過放射線の挙動を調査すること。
• 高度に伴う放射線の増加が、地殻放射能ではなく宇宙からの放射源に起因するかどうかを特定すること。
• 壁の厚さを変化させた計器を用いて、ガンマ線とベータ線の寄与を区別すること。
• 複数の計器で同時に観測された放射線の変動を確認し、計器の誤差ではなく外部放射源に起因するものであることを裏付けること。

提案手法

• 1912年4月から8月にかけて、主に夜間の飛行を実施し、干渉を最小限に抑え、安定した測定を確保した7回の高高度気球飛行を実施した。
• 3台のウルフ型電離計を用いた：2台は3 mmの金属壁（ベータ線に対して不感）を、1台は0.188 mmの亜鉛壁（ベータ線に対して感受性）を備えており、いずれも電離室を装備していた。
• 焦点調整時の読み取り精度を向上させるために、オcular内に可動式の凹レンズを設け、常に一定の倍率を維持した。
• 電荷損失量（時間当たり）を測定し、既知の静電容量値を用いて、cm³・秒あたりのイオン生成速度（イオン/cm³・秒）に換算した。
• 空気密度の変化を補正するため、観測された放射線値に、標準大気圧（750 mm Hg）と飛行中の平均大気圧の比を乗じた。
• 地上での電離度を高高度測定値から差し引くことで、高度に起因する増加分を分離した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 地殻放射能モデルが予測するように、透過放射線は高度が上昇するにつれて減少するのか？
• RQ2 高高度での電離度の増加は、地球の大気圏の上空に起因する放射線源に起因するのか？
• RQ3 複数の計器で同時に観測された変動は、放射線場自体に内在する変動を示しており、計器の不具合によるものではないことを示しているのか？
• RQ4 高高度で測定された放射線は、ガンマ線のみに起因するのか、それともベータ線などの他の成分が顕著に寄与しているのか？
• RQ5 透過放射線の真の吸収係数は何か？ そして、既知のガンマ線吸収係数と比較するとどうなるか？

主な発見

• 地上付近ではわずかに電離度が低下したが、これは局所的要因によるものであり、以降は高度に伴い安定して増加した。
• 3,000〜4,000メートルの高度では、地上値よりも50%高い電離度が観測された。
• 4,000〜5,200メートルの高度では、地上値を100%以上上回り、最大で表面値の1.5倍以上に達した。
• 地殻放射能源によるものではなかった。地上の放射性物質やボイラー用砂の有無との相関は認められなかった。
• 複数の計器で同時観測された変動は、放射線変動が実際の外部要因に起因しており、計器の不安定性によるものではないことを確認した。
• 透過放射線の吸収係数は、NTP下で約10⁻⁵ cm⁻¹と求められ、ガンマ線の期待値よりもはるかに低く、これは新たな種類の放射線である可能性を示唆した。