応用物理学会秋季学術講演会 注目講演プレスリリース
2022年 9月 14日

3次元サブミクロントラッキング可能な超微粒子原子核乾板を用いた反跳陽子飛跡検出による中性子スペクトル測定法及びイメージング技術の開発
Development of neutron spectrum measurement and imaging technology by recoil proton track
detection with Ultra Fine-grained Nuclear Emulsion capable of 3D submicron tracking

暗黒物質解明をめぐる究極の物理探索の過程で生まれた、中性子の革新的イメージング技術
東邦大理(1)，名大理(2), ナポリ大学(3), 千葉大アイソトープ( 4)赤松咲耶(1)，白石卓也(1)，中竜大(1)，浅田貴志(3)，小林龍太(2), 久下謙一(4)【発表概要】• 暗黒物質探索で培われた「超微粒子原子核乾板」（NIT）を用い、反跳陽子飛跡検出による中性子スペクトル測定法及びイメージング技術の開発• 超微粒子原子核乾板（NIT）は、100nm（1万分の1ミリメートル）の空間分解能での３次元トラッキングにより、高い方向感度と位置分解能およびエネルギー分解能を持ち合わせた、唯一無二の高精度検出器• 同研究は、中性子ラジオグラフィなどのイメージング技術、核融合のメカニズム探求、および医療応用に大きな可能性を秘めている
東邦大学理学部の赤松咲耶、白石卓也、中竜大、ナポリ大学の浅田貴志、名古屋大学理学部の小林龍太および写真科学の専門家である千葉大アイソトープ実験施設の久下謙一らによる研究グループは、現代物理学・天文学の最重要課題のひとつである暗黒物質解明のための検出器「超微粒子原子核乾板（NIT）」を共同開発している。超微粒子原子核乾板（NIT）は、100nm（1万分の1ミリメートル）の空間分解能での３次元トラッキングにより、高い方向感度と位置分解能およびエネルギー分解能を持ち合わせた、高精度検出器である。同研究グループは、超微粒子原子核乾板（NIT）を応用し、中性子ラジオグラフィなどの革新的イメージング技術、核融合のメカニズム探求、および中性子捕捉療法や重粒子治療などの医療応用を模索している。

【詳細】

現代物理学の最重要課題、暗黒物質解明のための検出器
暗黒物質の解明は、現代物理学および天文学にとって、最も重要な課題と言っても過言ではない。暗黒物質は、質量を持っているものの、物質とはほとんど相互作用をしない。それ自体は光や電波を出すことはないため、光学的にも捉えることはできない。それでいて、宇宙のエネルギー密度の4分の1以上を占めるとされている、謎の物質である。
現代の物理学者たちはこの暗黒物質の解明に躍起になっている。なぜなら暗黒物質の存在は様々な独立した宇宙観測から明らかである一方で、現代の素粒子物理学の枠組みである「標準理論」では説明できていないからだ。素粒子標準模型はこれまで地球規模で行われてきたエネルギースケール（最大で１０テラ電子ボルト）の実験において、ほぼすべての現象を説明できる完璧な理論と目されてきた。しかし、暗黒物質の存在は標準模型を越えた新たな物理があることを示唆しており、その正体解明が素粒子物理学および宇宙物理学両方において最重要課題とされている。
「暗黒物質探索は宇宙・素粒子両分野において『究極の物理』となっています。究極の物理を追い求めることで、超高精度な測定技術などが生まれていく。それらの技術はさまざまな分野に応用ができるはずだと考え、研究しています」と話す白石卓也氏は、東邦大学理学部ほかの研究チームとともに暗黒物質を直接検出するための「検出器」を開発している。
「暗黒物質探査では、反跳原子（※）が暗黒物質から受け取る非常に微弱なエネルギーを捉える必要があります。その方向を捉えることが暗黒物質の証拠として重要なのですが、このエネルギー帯で方向を捉えることは従来の検出器では困難でした。私たちが開発を続けてきた『超微粒子原子核乾板』（NIT）は 100nm（1万分の1ミリメートル）の空間分解能での３次元トラッキングにより、高い方向感度と位置分解能およびエネルギー分解能を持ち合わせていることから、こうした非常に小さなエネルギーの飛跡検出と方向などの詳細情報を捉えることができます」（白石）
白石氏らは、暗黒物質探査における背景事象（測定したい事象を裏付けるための背景となる事象のこと）として発生する中性子の詳細測定をイタリアのグランサッソ研究所で国際共同実験として行ってきた。その際に開発してきた検出器が超微粒子原子核乾板（NIT）だ。乾板とは、古い写真技術で使われてきた感光材料で、支持体に乳剤（ゼラチン中にAgBr結晶を分散させた感光剤）を塗布してつくられる。NITは硝酸銀と臭化ナトリウムの溶液の添加速度と温度をコントロールすることでAgBr結晶を100nm以下に超微粒子化したものである。結晶は1μm立方に1000個以上という高密度で分散されており、結晶１粒１粒が荷電粒子センサーとしてふるまうため、100nmの空間分解能が実現される。この結晶を反跳陽子が貫通すると、まるで写真で写し取られるようにその飛跡が検出される。その飛跡を独自開発した光学顕微鏡自動飛跡読取装置で解析することで、入射した荷電粒子の詳細な情報を知ることができるのだ。

「このとき、乾板の中では様々な原子核との弾性散乱が起こりますが、この現象はビリヤードのボールの衝突を想像してみてください。標的となるボールは様々な質量を持った原子核で、入射する中性子は最も軽いボールです。中性子によって最も強く弾かれるのは、同程度の質量を持つボールであり、それがNITに1.8%含まれる水素原子核、つまり陽子です。そしてNITはこの反跳陽子の飛跡を、これまでにない高い空間分解能で捉えることができるため、中性子のエネルギーや位置、方向などの詳細な情報を得ることができます」（白石）
透視から核融合まで応用広がる、中性子イメージング技術
白石氏らはNITの高い空間分解能と方向感度を応用することで、新しい中性子イメージング技術の開発を示唆する。たとえば「中性子ラジオグラフィ」だ。中性子は物質中を透過するが、その際、物質の性質によって透過率が異なる。その透過率の差を利用するイメージング技術が中性子ラジオグラフィである。
「透視で一般的なレントゲンで使われるX線やγ線は、物質の密度によって減衰します。密度による透過率の差によって撮像するわけです。一方の中性子は、質量が同程度の、水素を多く含む場合に減衰が強くなります。この特徴を用いることで、たとえば鉛のケースの中にあるプラスチック素材を透視する、といった、従来のレントゲンでは不可能な透視が可能になります」（白石）
白石氏らは現在、中性子ラジオグラフィの検証を重ねているところだという。また、現在クリーンで安全な新しいエネルギー源として期待を集めている核融合の研究にも、NITの技術を活かすことができるという。核融合は水素などの軽い原子核が融合し、ヘリウムなどの重い原子核へ変化することを言う。その際、高エネルギーの粒子線が放出される。たとえば重水素と三重水素による核融合では、ヘリウムとともに中性子が放出される。
「核融合反応は制御が難しく実用には至っていません。発電などに応用するためには、まずは核融合反応がどのような場所で起きているか、反応がどのように分布しているかを知る必要がありますが、その際、反応によって生じる中性子が重要な情報を持ってます。NITを使えば、中性子がどこから飛んできたかを詳細に理解できるため、反応の場所や分布の情報を得ることができます」（白石）
他にも、中性子捕捉療法や重粒子線治療など医療分野にも応用が可能だという。白石氏が目指すのは、暗黒物質の探索という素粒子物理学の最先端と、社会技術の最先端をともに開拓することにある。
「非常に短い飛跡を見るのは暗黒物質探索で培ってきました。もう少し長い飛跡に応用していくことを考えていくと、さまざまなイメージング技術への応用が想定されます。究極の物理を探索する過程で培った技術で社会を前に進める、そんな応用を模索していきたいです」（白石）【注釈】※反跳原子

中性の粒子（中性子や暗黒物質など）と原子核の弾性散乱によりはじき出される原子のこと。運動量保存則によって、反跳される原子は入射する中性の粒子の角度や運動エネルギーの情報を持つ。

【資料】

図1. T(p n)3He核融合反応から放出される880keV単色中性子を照射したNIT中の反跳陽子飛跡の光学顕微鏡画像。陽子の飛程が5μmの場合、陽子エネルギー（Ep）は約490keVである。独自開発した光学顕微鏡飛跡読取装置を駆使し、ステージ移動制御・顕微鏡での撮像・画像解析をすべて自動で行う。

図2. (a) 図1のサンプルで検出された反跳陽子(Ep)の散乱角(cosθ)とエネルギーのプロット。2μm以上の反跳陽子飛跡を解析対象としている。運動学的な理想曲線（Ep = En cos 2 θ）に沿って事象が分布しており、外れたものは散乱中性子によるものである。(b) 陽子反跳エネルギーと散乱角度から計算される中性子のエネルギーの分布。測定した中性子エネルギーのピークは照射エネルギーと極めてよく一致しており、その精度は半値全幅で31%@880keVである。これはsub-MeV中性子に対しても、陽子の反跳エネルギーと散乱角度が高精度で測定できている証拠である。

図3. NITを用いた様々なエネルギーの中性子毎の検出方法。中性子を直接検出する陽子弾性散乱法の他に、原子核との非弾性散乱を用いた高エネルギー中性子検出や、低エネルギー中性子（熱中性子）に対する反応確率の高い10Bや6Liを混ぜて核反応を用いる方法がある。