父の赤ちゃんだった粒子加速器との別れ

先週、アルゴンヌ国立研究所の技術者らは、先進光子源（APS）として知られる粒子加速器の分解を開始した。この粒子加速器は、1995年以来世界で最も明るいX線源の一つとして輝いてきたその周囲1.1キロメートルのリングである。毎年、無数の分野の約6000人の科学者にサービスを提供しているこの施設は、これで終わりというわけではない。 1年以内に、作業員は電子加速器を新しいものと交換し、APSの出力X線ビームの強度を500倍に高める予定です。主要な科学施設が活性化されます。それは珍しいことではありません。

しかし、私個人にとって、オリジナルの APS の解体は強い感情を呼び起こします。私の父、ヤンライ・チョーは加速器物理学者であり、シカゴ郊外にあるエネルギー省 (DOE) の研究所であるアルゴンヌでキャリア全体を過ごしました。 40 年前、彼はマシンの概念設計を練り上げた小さなチームを率いました。私の心の中では、それは彼の赤ちゃんだった。重篤な脳卒中から4年後、2015年に父が82歳で亡くなったとき、私は父がアクセルの中で生き続けていると思うと慰められた。さて、それもなくなってしまいます。

1980 年代初頭、父が加速器について考え始めたとき、私は 10 代でした。私は父を心から愛していましたが、多くの人がそうであるように、父との関係は複雑でした。彼は横暴で要求が厳しく、自己中心的で孤立している可能性があります。「あなたが一番上手であれば、何をやっても気にしないよ」と彼は私か二人の兄弟のうちの一人にそう言い放ち、私たちを放っておいて自分たちだけで苦労するようにしました。当時、APS は彼の時間と心を占めていたこの神秘的なものでした。

私も父に従って物理学を学び、最終的には博士号を取得しました。しかし、私の進路は私を科学ジャーナリズムへと導きました。過去 20 年間にわたり、私は原子粉砕機や重力波検出器から X 線レーザーや中性子源に至るまで、多くの大きな科学施設について書いてきました。私は何も作ったことはありませんが、これらの驚くべき機械を作成するのに何が必要かについていくつかのことを学びました。そしてそれは私が父をより深く理解するのに役立ちました。

「彼は優れた先見の明のある加速器物理学者で、アルゴンヌやその他の場所で多くの大型機械を改造した」と、現在もエネルギー省の顧問を務める元エネルギー省職員の一人は語る。「彼は素晴らしい同僚であり、教師でもありました。」私は父と何度も口論してきたので、その最後の評価には驚嘆します。しかし、彼の仕事について考えると、訛りがあり、激しい気性を持った韓国系移民が、いかにして異常で要求の厳しい分野で成功を収めることができたのかが理解できるようになった。

世界中にある他の 70 基の X 線シンクロトロンと同様に、APS は邪魔だったものを資料を研究するための強力なリソースに変えます。長い真空管内で電子を高エネルギーかつ光速に近い速度まで加速し、磁石が電子をリングの周りに誘導します。循環する電子ビームは、ちょうど濡れた手ぬぐいを頭上で回転させて水滴を飛ばすのと同じように、X 線を放射します。その放射光は電子のエネルギーを奪うため、素粒子物理学の実験のためだけに加速器が建設されたとき、それは避けられない無駄でした。

1960 年代、科学者は電子加速器から X 線放射を吸い上げ、吸収スペクトルを測定するなどして材料を研究し始めました。最初の主要な専用情報源が次の 10 年間に出現しました。 APS は、フランスのグルノーブルにある欧州放射光施設 (ESRF) や日本の兵庫にある SPring-8 施設とともに、より大規模で高エネルギーの第 3 世代放射源の波を先導しました。以前の線源と比較して、アルゴンヌマシンは、はるかに強力な X 線を生成する、よりコンパクトな電子ビームを生成しました。また、物質の原子スケールの構造を調べるのに理想的な、波長が 0.1 ナノメートルより短い硬 X 線の領域にも進出しました。 12 時間ごとではなく、30 秒ごとに電子を補充し、X 線ビームの強度を一定に保ちました。

1987 年から 2001 年までアルゴンヌ大学の APS 副研究室所長を務めたマサチューセッツ工科大学の物理学者デイビッドモンクトン氏は、最も具体的には、APS は X 線源の信頼性の革命に貢献したと述べています。利用可能な時間の % と 75% が使用されており、施設の利用者のスケジュールを設定しようとしている当局者を悩ませています。モンクトン氏によると、APS によりその信頼性係数は 99% に引き上げられました。「機器を購入して組み立てるだけでは、99% のパフォーマンスを発揮するマシンは完成しません。」

このような特性により、APS は発見の源となっています。おそらく最も驚くべきことは、このシンクロトロンと他の第3世代X線シンクロトロンがタンパク質やその他の生体分子の構造と機能の研究に革命をもたらしたことだと、ラトガース大学の構造生物学者で世界的なタンパク質データバンクの共同創設者であるヘレン・バーマン氏は言う。 (PDB)。 X線で分子を調べる前に、構造生物学者は分子を結晶化する必要がありますが、これは困難な作業です。バーマン氏は、APSやその他の第3世代線源は「非常に強力なX線源でデータを取得し、はるかに小さい結晶を使用する能力」を提供したと述べた。

PDB にある 201,000 個のタンパク質構造のうち、72% は X 線シンクロトロンに由来します。そのうち 30,466 個が APS からのもので、米国のシンクロトロンからの収量の 51% です。 APS からのデータは、2 つのノーベル化学賞の受賞に貢献しました。2009 年には、細胞のタンパク質製造機構であるリボソームの機能と構造の研究で、2009 年には、細胞のタンパク質製造機構であるリボソームの機能と構造の研究で受賞しました。そして2012年には、Gタンパク質共役受容体と呼ばれる細胞膜タンパク質の研究に対して。 APS は、新型コロナウイルス感染症 (COVID-19) の原因となる SARS-CoV-2 ウイルスの構造の決定と、その治療薬であるパクスロビッドの開発に貢献しました。

先月、広大なトンネルのような実験ホールを歩き回ったときに見たように、APS は他の多くの種類の作業をサポートしています。この施設の 68 の実験エンドステーション内で、科学者たちは磁性材料の量子特性を分析し、生物学にヒントを得た接着剤を開発し、さらには鉛蓄電池の原子スケールの構造が動作中にどのように変化するかを研究しています。この研究は、エネルギーの強さによって可能になりました。 APSのX線写真。

父が加速器について考え始めたとき、これらすべてが科学者の目に映りました。この加速器に、ギリシャの太陽の神にちなんでフィーバスと名付けたいと考えていました。 1983年、ウィスコンシン大学マディソン校で故障したアラジンと呼ばれる小型X線シンクロトロンの修理を手伝っていたとき、審査委員会がより大型の硬X線源を主張する報告書を発表した。モンクトン氏によると、父はアラジンの制御室に座って報告書を読み、それからアルゴンヌに急いで戻り、研究所関係者にこの機械の研究開発に資金を提供し、アルゴンヌでの開催を推進するよう促したという。

研究室はそのようなプロジェクトを切実に必要としていた。そこにはかつて素粒子物理学プログラムが盛んに行われており、それが私の父を惹きつけたものでした。しかし 1979 年にアルゴンヌ大学は陽子加速器を閉鎖し、その代わりに 50 キロメートル離れたフェルミ国立加速器研究所のより大型の新しい加速器が設置されました。「研究室は使命を果たそうと奮闘していました」とモンクトン氏は言う。「ヤン氏はすぐに、これは良いプロジェクトになる可能性があり、研究室を将来に向けて推進できる規模であると考えました。」

このプロジェクトは父に個人的に必要なものを与えてくれました。私たちのほとんどと同じように、彼は不一致のパズルのピースのごちゃ混ぜでした。彼はある瞬間は気難しくなり、次の瞬間にはとんでもなく贅沢をしすぎる可能性があります。私の両親は私が幼い頃に離婚していましたが、彼は常に存在し、好きなように母の家に身を寄せていました。彼は子供の頃にポリオに感染し、足が萎縮していました。それにもかかわらず、彼は時々転ぶことがあっても、私たちをボウリングに連れて行くのが好きでした。彼はランチに出かけるのが好きで、奇妙なことにジョン・ウェインの映画も好きでした。しかし、全体として、離婚後、彼は不幸に見えました。

新しいマシンを設計するというクラブらしい熱心な努力が彼を元気づけた。チームは私の父で構成されていました。ゴパール・シェノイ氏はアルゴンヌ大学の材料科学者で、2017年に亡くなった。他にも十数人。アルゴンヌのカフェテリアの選択テーブルに、父は「APS スタッフ専用」という貼り紙を貼り、カフェテリアの従業員が繰り返しそれを撤去するたびに貼り替えました。 1985 年、シカゴベアーズフットボールチームは優勝を勝ち取りました。研究者たちが日曜日に仕事をしながら試合を監視できるように、お父さんがテレビを持ち込んできました。

チームは概念設計を完了するまでに 3 年かかりました。父が何をしたのかは、私にとって少し謎のままです。加速器物理学者として、彼は電子がどのように電波をサーフィンしてエネルギーを獲得し、磁場がそれらの粒子を集束させ、共鳴がビームを消滅させ、シンクロトロン放射自体が電子を蹴り飛ばす仕組みを理解していました。しかし、彼はその知識を実行可能なデザインに変える必要がありました。彼のチームは、APS を定義する無数のパラメータ、つまりビームエネルギー、リングの半径、ビーム内の電子束の数、磁石の配置、電波の周波数などを指定しました。

APSの開発に携わった加速器物理学者のジョン・ガライダ氏によると、最初の目標は、可能な限り最もコンパクトな電子ビームを作成し、最も明るいX線ビームを放射することであったという。ビームも動くことができなかった、と彼は言う。微小な電子ビームは微小な X 線ビームを放射し、常にターゲットに当たる限り、微小なサンプルを探査できます。最後に、マシンは可能な限り確実に動作する必要がありました。

機械設計者は、微妙なバランスを保つ必要があります。機械を構築できないほど野心的な設計はできません。しかし、既存のものを単に複製するだけのように慎重になることはできません。したがって、設計には、建築者がまだ作り方を知らない要素が必ず含まれています。「私がこれまで関わってきた施設はどれも、それはたくさんありましたが、他に類を見ない、初めての施設でした」と元エネルギー省職員は言う。「そしてそれは、まだ解決されていない巨大な技術的問題があることを意味します。」

どうやら、父は努力すれば何が達成できるかを見極めるのが得意だったようです。「彼は他のプロジェクトが行ったことを見て、それを利用して改良していました」とアルゴンヌ大学の加速器物理学者であり、私の父の未亡人であるマリオン・ホワイトは言う。「彼はそれが信じられないほど上手でした。」

もちろん、プロジェクトリーダーは人を管理する必要もあります。そして、父が苦労したのはそこだった。彼の独裁的なスタイルは、プロジェクトのスタッフが自ら選んだ数名で構成されていた初期の段階で機能しました。取り組みがより正式なものになり、数百人規模に膨れ上がるにつれて、その効果は薄れていきました。「彼は会議を開き、その後、人々が私のオフィスに来て、『もう耐えられない』と言ったものです」とモンクトンは思い出す。そこで 1991 年に建設が本格化すると、父に代わってエドテンプルという物理学者がプロジェクトディレクターになりました。

しかし、父はプロジェクトに深く関与し続けました。彼は、最終設計への変更を承認する必要がある委員会の委員長を務めました。「彼はそれについてかなり乱暴な言い方をするでしょう」とガライダは言う。「彼はそれを敵対的なプロセスだと考えていたと思います。」他のマシンと同様に、多かれ少なかれ苦痛を伴ういくつかの変更を行う必要がありました。それにもかかわらず、APS は 4 億 6,700 万ドルの予算を予定より早く達成しました。

私には、父が施設のほぼすべての面に手を出していたように見えました。たとえば、APS の 90,000 平方メートルのコンクリート床には伸縮継ぎ目がありません。モンクトン氏によると、請負業者らは床に亀裂が入らないようにするよう依頼したが、設計チームは表面的な亀裂よりも床の安定性の方が重要だと主張したという。父が昼食をとりながらコンクリートの床の細かい点について話していたのを覚えています。

現在、作業員たちは父親の機械を解体して「第4世代」設計のものに置き換えている。新しいマシンはリング内の電流を 2 倍の 200 ミリアンペアにします。さらに重要なのは、その電子ビームがさらにコンパクトになることだ、とアルゴンヌ大学の機械エンジニアであり、8億1500万ドルのプロジェクトの責任者であるジム・カービー氏は言う。オリジナルの APS のビームは、高さ 10 マイクロメートル、幅 275 マイクロメートルでした。新しいAPSのビームは高さ3マイクロメートル、幅15マイクロメートルで、人間の髪の毛の幅よりも小さい。

この微妙な縮小は、2 台のマシン間の重要な違いに依存するとカービー氏は言います。古い APS では、ビームは常に内側、右に曲がりました。新しいデザインでは、左に外側に曲がることがあります。これらのねじれはビームを縮小する新たなダイナミクスを生じさせます。このアプローチはスウェーデンの MAX IV 施設で開拓され、2020 年に完成した ESRF の再建に導入されました。

このスキームには、ほぼ完全に新しいアクセラレータが必要です。作業員は元の APS 磁石を 1,321 個の新しい磁石と交換し、真空システム全体を交換します。「我々は基本的にリング全体を交換するつもりだ」とカービー氏は言う。この変革にはわずか 1 年かかります。「ダウンタイムを人間的に可能な限り短くすることが、常にプロジェクトの成果物でした」とカービー氏は言います。その頃には父のマシンも思い出になるだろう。

しかし、父自身は APS がオンになる前から新しいマシンのことを考えていました。 1990 年代後半、オークリッジ国立研究所は、陽子ビームを水銀ターゲットに衝突させて材料を研究するための中性子を生成する破砕中性子源 (SNS) の構築を開始しました。 2001年から2008年までSNSプロジェクトディレクターを務めたロスアラモス国立研究所所長のトム・メイソン氏によると、このプロジェクトは難航し、DOEは中止しかけたという。モンクトン氏、ホワイト氏、私の父、その他の人々は支援のためにオークリッジに行った。

私の父は、重要な設計変更を行ったチームを率いていました、とメイソン氏は言います。 SNS の当初の計画では、銅の加速空洞で作られた従来の線形加速器が必要でした。研究チームは、よりエネルギー効率が高く、信頼性が高く、柔軟性が高い超電導金属製の空洞を備えた斬新な設計に切り替えました。「その結果、最後の通常の加速器ではなく、最初の超伝導陽子加速器を構築することになった」とメイソン氏は言う。

私の父は、韓国、ドイツ、日本などの加速器プロジェクトについて相談し、科学機械製造業者の奇妙なコミュニティに自分の得意分野を見つけました。彼は当時日本に占領されていた現在の韓国で極貧に育った。彼は24歳のときに米国に来て、17年間帰国しなかった。文化の違い、障害、気質のせいでしょうか、彼はしばしば部外者でした。

しかし、彼が同僚の中にいたときはそうではなかった。私が父を見た中で一番幸せだったのは、孫たちと遊んでいる時でした。僅差で次の瞬間は、彼が同僚と談笑していたときだった。少なくともそのうちの何人かは彼との付き合いを楽しんでいた。「私にとって、あなたのお父様と一緒に仕事をすることは素晴らしい経験でした」と、EPFL（元スイス連邦工科大学ローザンヌ校）の物理学者で、『アラジン』で父とチームを組んだジョルジオ・マルガリトンドは言う。

実際、父は自分の厄介な性格にもかかわらず、成功できるコミュニティを見つけることができましたが、それはある程度そのおかげでした。「加速器の構築は、多くのサブタスクや多くの調整などを伴う非常に複雑なタスクなので、ほぼ軍事的な方法で物事を実行する必要があります」とマルガリトンド氏は言います。「リーダーになるために絶対に必要な要素がひとつあり、それは尊敬されることです。あなたのお父さんは本当に協力者たちから尊敬を集めていました。」

父の仕事について考えると、私と父が重要な点でいかに異なっていたかにも気づきました。反射的に悲観的になったせいもあり、物理学者としては適任ではありませんでした。複雑な計画に直面すると、私は「それは決してうまくいきません」と答える傾向があります。対照的に、父は、ほとんど考えられなかった技術提案を部分に分割し、障害を特定し、それらを克服する方法を考案する自信を持っていました。「彼は私がこれまで会った中で最も楽観的な人でした」とホワイトは言う。

その楽観主義のおかげで、父は私たち全員の利益のために、何千人もの科学者が自然界を探索できるようにする施設の建設に協力しました。その遺産ははるかに具体的ではありませんが、特定のアクセラレーターよりもはるかに重要です。だから、今はそれを我慢します。