[論文レビュー] Penetrating Radiation at the Surface of and in Water

Domenico Pacini|arXiv (Cornell University)|Feb 9, 2010

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 7

ひとこと要約

ドメニコ・パチーニの1912年の研究は、陸上放射能から遮蔽された空気中のイオン化を測定することで、宇宙線の初期実験的証拠を提供した。深さ3メートルの水中に沈めた銅箱に封入された電気計を用い、陸上放射能からの影響を除外した状態でも、依然としてイオン化が継続することを示した。理論的予測値（大気および海水の放射能に基づく）を大幅に上回るイオン化率が観測されたことから、土壌放射能とは独立した大きなイオン化放射線源が存在すると結論づけた。これは、ヴィクター・ヘスの気球実験が広く認識されるよりも前に、宇宙線の発見を予見したものである。

ABSTRACT

At the beginning of the twentieth century, two scientists, the Austrian Victor Hess and the Italian Domenico Pacini, developed two brilliant lines of research independently, leading to the determination of the origin of atmospheric radiation. Before their work, the origin of the radiation today called "cosmic rays" was strongly debated, as many scientists thought that these particles came from the crust of the Earth. The approach by Hess is well known: Hess measured the rate of discharge of an electroscope that flew aboard an atmospheric balloon. Because the discharge rate increased as the balloon flew at higher altitude, he concluded in 1912 that the origin could not be terrestrial. For this discovery, Hess was awarded the Nobel Prize in 1936, and his experiment became legendary. Shortly before, in 1911, Pacini, a professor at the University of Bari, made a series of measurements to determine the variation in the speed of discharge of an electroscope (and thus the intensity of the radiation) while the electroscope was immersed in a box in a sea near the Naval Academy in the Bay of Livorno (the Italian Navy supported the research). The measures are documented in his work "Penetrating radiation at the surface of and in water". Pacini discovered that the discharge of the oscilloscope was significantly slower than at the surface. Documents testify that Pacini and Hess knew of each other's work. Pacini died in 1934, two years before the Nobel Prize was awarded for the discovery of cosmic rays. While Hess is remembered as the discoverer of cosmic rays, the simultaneous discovery by Pacini is forgotten by most.

研究の動機と目的

• 大気中のイオン化放射線の起源を特定すること。特に、それが陸上放射能由来であるのか、または地球内部の放射性物質とは独立した外部からの源であるのかを明らかにすること。
• 地球の地殻に存在する放射性物質とは独立して、顕著なイオン化放射線成分が存在するという仮説を検証すること。
• 海面上および深さ3メートルでの空気中のイオン化レベルを測定し、大気および海水の既知の放射能に基づく理論的予測と比較すること。
• 観測されたイオン化の原因が、装置の欠陥や局所的汚染によるものでないことを、海上で制御された実験を実施することで除外すること。
• 後に宇宙線と特定された透過放射線が、土壌放射能とは独立した大気中の主要なイオン化源であることを確立すること。

提案手法

• 1.5 mm 厚の銅箱に封入された電気計を用い、海面上および深さ3メートルの水中でイオン化率を測定した。
• 装置はベータ線を遮断し、二次的イオン化を最小限に抑えるように設計されており、放電速度に寄与するのは主に透過放射線のみとなるようにした。
• 4 m² の表面積を持つ船の上での制御された条件下で、繰り返し観測を実施し、一貫性を確認した。
• 理論的イオン化率は、ラジウムからのガンマ線（Q = 8×10⁻¹⁷ g/cm³）、吸収係数（λ = 4.4×10⁻⁵ cm⁻¹）、および1 gのラジウムから生じるイオン生成量（K = 3.1×10⁹ ions/cm³/s）の既知の値を用いて計算した。
• 海水からのイオン化は、その等価放射能（Q′ = 1.1×10⁻¹⁴ g/cm³）および吸収係数（λ′/ρ = 0.034）を用いて推定し、予測されるイオン化量は0.006 ions/cm³となった。
• 大気中の放射能および容器壁からの二次放射線の寄与を理論的に組み合わせ、20%の補正を加えて全背景イオン化を推定し、観測値と比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 海面上での観測されたイオン化は、陸上放射能由来であるのか、それとも土壌放射能とは独立した外部からの源由来であるのか？
• RQ2 海面および深海での測定されたイオン化率は、大気および海水中のラジオニクライドからの既知のガンマ線によって説明可能か？
• RQ3 装置を水中に沈めた際も高いイオン化率が継続するということは、局所的放射能に起因しない透過放射線源が存在することを示唆するか？
• RQ4 観測されたイオン化は、汚染や装置の欠陥（例：電子放出や金属反応）に起因する可能性はあるか？
• RQ5 大気中の放射能および二次放射線の寄与は、全イオン化に占める割合はどの程度か？また、それが測定値とどのように比較されるか？

主な発見

• 電気計を用いて海面で測定した平均イオン化率は1秒あたり8.9イオンであり、最小値は4.7イオンであった。これは理論的予測値を著しく上回っていた。
• 最小イオン化（残留分と仮定）を差し引いた後、二次放射線の補正を加えたところ、観測された透過放射線の寄与は1 cm³あたり1秒に3.4イオンとなった。
• 大気および海水の放射能に基づく理論的計算では、1 cm³あたり1秒に0.1イオンのイオン化しか予測できず、大きな説明不能なイオン化成分が存在することが示された。
• 装置の欠陥、汚染、ベータ線による影響では説明できないことが、銅の遮蔽により裏付けられた。
• 結果は、陸上放射能とは独立した大気中の透過放射線源が存在することを強く支持しており、後に宇宙線と特定されたものである。
• パチーニは、土壌中の放射性物質とは直接関係のない、大気中に顕著なイオン化放射線源が存在すると結論づけた。