科学機器

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科学の峰々

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東京大学 地震研究所 高エネルギー素粒子地球物理学研究センター
高エネルギー素粒子地球物理学分野教授

田中 宏幸 先生 に聞く

ミューオン素粒子研究と巨大物体の内部を覗く
２１世紀の透視技術
ミュオグラフィ 下
聞き手：柴田藏満岡田

取材日：2016年11月29日
東京科学機器協会会議室

眞利 日本科学機器協会 広報委員長
同専務理事
邦弘
同事務局長
康弘

（取材・撮影・編集協力：クリエイティブ・レイ㈱安井久雄）

田中 宏幸 先生のプロフィール〈経歴〉
12004年 名古屋大学大学院博士課程短縮修了
2004年 カリフォルニア大学リバーサイド校博士研究員
2006年 日本学術振興会特別研究員
2008年 東京大学地震研究所特任助教
2010年 東京大学地震研究所准教授
2013年 東京大学地震研究所 高エネルギー素粒子地球物理学分野教授〈賞〉
日本鉄鋼協会俵論文賞
NPO法人日本火山学会論文賞
EPS（地球電磁気・地球惑星圏学会、（公社）
日本地震学会、火山学会、日本測地学会、日本惑星学会の5学会）
賞

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沈み込む海洋プレートと火山噴火との関係す。その際、海洋プレートの上層のところにでき、そのマグマだまり部の岩盤は、海水に接しているのの上に火山が存在するのです。

で水を含んでいます。

つまり、火山噴火の規模は、この水を含んだ海洋プレートの岩盤

マグマだまりの大きさが分かれば、

─ これまでミューオンを使っては、固体が溶けて液体に変化す

火山の内部などを透視するミュオる融点が下がります。それが地下活火山は、熱いマグマが地球グラフィについてお話を伺ってきまに潜っていくと、融点温度が低い内部から次々に供給されるので、した。それに関連して、そもそもため、岩石の水を含んだところがマグマだまりには圧力が溜まり、火山噴火はどうして起こるのか、選択的に溶けていきますので、溶徐々に膨張していき、火口付近で火山とはどのようなものなのか、けにくい固体の岩石の中に液体がは地表が盛り上がったり、広がっお聞かせいただけますか。

できる状態になります。

たりします。このような盛り上がりやおおまかな予測ができます。

そのような状態になると、固体よ広がりは近年合成開口レーダーの火山の下には、地球を構り液体の方が浮力があるので、水技術を用いて観測できるようになっ成している岩石が溶けて溜まったを含んで溶けたマグマは長い時間てきています。

マグマだまりがあります。そのマグをかけて岩盤の中をゆっくり浮き上

マだまりにマグマが上がってくるのがっていきます。そして、マグマは、海洋プレートと大陸プレートのが溜まりやすい地形があると、そこ動きが大きく関係しているのです。にマグマが流れ込みマグマだまり

田中

火山列島の日本では、海洋プ

時間への興味から相対論的物理学へ─ミュオグラフィは、素粒子のができます。

レートがゆっくり時間をかけて大陸火山によりますが、マグマだまり研究から生まれた技術であるわ

プレートの下側に沈み込んでいきまはだいたい地下３～５キロメートルけですが、田中先生はどうして↑巨大物体の可視化に取り組む田中先生(右)とハンガリー科学アカデミーウィグナー物理学研究センターのデッソ・ヴァルガ准教授。(左)↑火山の構造とミュオグラフィ画像
銀河系宇宙から飛来してくるミュオン素粒子を地上のミュオグラフィ装置でとらえて火山の構造を画像化する。

2016年9月、大阪市立科学館と東京大学地震研究所が連携して主催された展示会では、最先端の研究を実用化している日本の技術力を体感して、科学に興味を持っていただくことを目的にミュオグラフィ装置が公開された。
会場では、ミュオンが通過すると、その飛来をランプの点灯で伝える装置(写真)を展示。 会場の大阪市立科学館の建物から、直接見えない近隣のビル群の姿をモニターに映し出す実験が紹介された。

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物理学や素粒子研究の道に入らからかけ離れた物理が展開されて田中れたのか、その理由や経緯などいると考えたからでした。

できたころに全盛を迎えたのですをお聞かせいただけますか。

素粒子物理学は加速器が私が特に興味を覚えたのは、が、その当時の素粒子物理学の私たちの近いところにあるものと、人気は非加速物理学に移っていく

田中 あまり自己分析をしたことは遠いところにあるものが、同じ物ところでした。つまり、岐阜県の神なく、答えにくいのですが、私は理法則に従って動いているのかと岡にあるスーパーカミオカンデに代

小さい頃から「時間」の構造にいうことでした。それを調べる方法

表されるニュートリノの研究です。

興味を持っていました。

として天文学がありましたが、私ただ、加速器を使って面白い

もともとニュートン力学では、時は天文学があまり好きになれません

素粒子の研究をするという道も残間は空間とは独立した１つのパラでした。また、物理学をやっていくっており、その分野で研究をしてメータに過ぎませんでした。そこにためには、現象そのものではなく、いる人もいました。私も関心はあっアインシュタインが時間と空間を不根源にある法則をいかに抽出するたのですが、加速器の問題点は可分な存在として四次元空間にかが大切だと感じていました。

規模がとても大きく、費用がかかる組み入れたことで、空間の一部とその当時、流行っていた言葉ことです。加速器を１日動かすだしての物理学的な存在意義を得まはブラックホールで、ブラックホーけで１００万円から数百万円はかした。

ルを衝突させるとどうなるのか？といかり、研究を行う組織も大きくなりまう研究も盛んでした。

す。私としては、大きな組織に参もう１つ、直感的な話として、時加したとしても、自分が主体的に間をどう定義するのかという問題

ブラックホールの衝突のシュミレがあります。時間とは記憶を積みーションは私も面白いと思ったので重ねているだけで、私たちに記憶すが、本にまとめられている研究

素粒子研究は、加速器ができがなければ、時間は存在しません。

はすでに成果が出ているということ

る前に全盛だった宇宙線の研究過去があるのは過去の現象に私なので、新たな発見を得ることはがあり、そこから加速器へ移り、たちの脳が反応するからです。空難しいと感じました。やはり、研究そして再び宇宙線へ戻るという流間は別の問題で、あるものが入るをするからには自分自身で新しいもれがありました。

か入らないかという話です。そういのを作り出す研究をしたいと思ったう問題が、まず私の頭の中にありまのです。

動くことは難しいと感じました。

私も宇宙に興味があったので、宇宙線の研究も１つのターゲットとその頃、ちょうど素粒子物理学考えるようになり、そんなとき、宇では、そんな私が物理学を研に関する情報が周囲の研究者か宙線を使って火山の内部を探査究する上で何をやりたいのかというら入ってくるようになりました。もともする研究をしている人がいると耳にと。例えば、仮に時間に興味があと時間的な物理学が好きだったこしたので、理化学研究所へ行っったとして、タイムマシンを作りたいともあり、また馴染みもあったので、て話を聞かせてもらいました。それと考えても、タイムマシンを作るた相対論的物理学をベースにしたがミュオグラフィとの出会いです。

めの方法論が思いつきません。

素粒子物理学も候補に入れたわした。

そこで、時間が組み入れられてけです。

量子力学の違いとは、何なのでいる理論に最も近いところにある研究は何かと探したところ、相対─ 田中先生は「ミュオグラフィ」

性理論の延長線上にあるものがとどのようにして出会ったのでしょ宇宙物理学でした。宇宙では普うか。

段私たちが目にする日常的な現象

20─ ちなみに、素粒子物理学としょうか。
田中

素粒子物理学と量子力学は本質的には同じものですが、人科学
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産 学 官との 連 携によって定義が変わるかもしれませ─ 暗黒物質の研究とは、どの宇宙線に関して言うと、今からん。

ようなものだったのか、お聞かせ１０数年前に出された論文で、面いただけますか。

白いと思ったものがあります。銀河

そもそもこの分野は、素粒子物
理 学、原 子 核 物 理 学、非 加 速には渦の濃いところと渦のないとこ器物理学など様々なサブカテゴリ

田中

宇宙はまだ発見されていなろがあります。渦の濃いところは星があります。私の理解では、まず、い粒子で満たされており、その粒が密集しているところであり、渦の高エネルギー粒子を使うのが素粒

子はけっこう重く、プロトンの１００ないところは星が少ないところです。

子物理学となります。

倍くらいあると考えられています。

太陽系はそういう銀河の中を回っ高エネルギーとは、相対論的なそういう粒子を見つけるのがテーています。

効果が表れるエネルギーを持つ素マの１つでした。もう１つは、宇宙銀河の渦が濃く、星の多いとこ粒子で、自分より重いキネティックに暗い星がどれくらいあるのかをろは、その分、超新星爆発の確のエネルギーを持っているような粒調べることでした。

率が高くなります。そのため、私子です。素粒子物理学と非相対なお、粒子としての暗黒物質にたちの太陽系が渦の濃いところを論的量子力学の違いは、相対論ついてはインタラクション(相互作用通る間は、近くで超新星爆発が的か、そうでないかということになり)が弱く、地球に降り注いでも地球起こる確率が上がりますが、もし近ます。

を通り抜けてしまいます。したがっくで超新星爆発が起こると、宇宙そして、加速器の研究者は、て、宇宙に漂うこのような粒子は線が大量に地球に降り注ぐことに止まっているターゲットに粒子を当地球の重力にトラップされてしまい、なります。

てるのが原子核物理学で、ニュー地球の中心に溜まっていて、ときどその論文によると、その大量のトリノの研究は非加速物理学と呼き反応を起こしてニュートリノを出し宇宙線が地球の気候に影響を与ぶこともあります。ているのではないかと言われていまえたり、火山の噴火を助長したり、す。現在、南極にあるニュートリノ地球の物理学的変動を起こしての施設ではそれを観測しています。

いるということでした。

暗黒物質や宇宙線に関するこれまでの研究もう1つ、面白いと思った論文が─ それが地球の中心核のエネありました。地球に降り注ぐニュー─ ところで、暗黒物質に関すルギーの元になっている、というトリノは私たちの体を通り抜けます。

る研究などは、現在どのような状ことはないのでしょうか。

私たちの体に影響を与えることは況にあるのでしょうか。

ありませんが、ごくまれに私達を構田中

田中

それを計算したことがある成する原子核と反応します。
ただし、暗黒物質とは、宇宙全体のですが、全然地球全体が放出

普段はこの確率は無視できるほどの質量の大半を占めていて、まだしているエネルギーに比べると桁小さく、誰も気にしません。しかし、発見されていない物質のことです。

違いに小さいことがわかりました。

太陽系の近くで超新星爆発が起き、その暗黒物質には発見されていな

ただし、もし本当にそのような粒子それによって大量のニュートリノがい粒子と暗い星の２つがあります。

が地球の重力に捉えられ、地球地球に降り注ぐと、生き物の体にまた、暗黒物質の研究には２つのの中心に落ち込んで行っているの異変を起こすと言われ、かつて地プロジェクトがあり、一時期流行っだとすれば、極めて局所的に何球に大量のニュートリノが降り注いた物理のテーマでしたが、今は小百万度を超えるような相当高いエだ時期と、恐竜の大量絶滅の時康状態になっています。

ネルギーの反応が起きている可能期とが一致するということでした。

性はあるのではないかと思います。

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3産 学 官との 連 携─ 恐竜の絶滅は巨大な隕石が私が思うのは、まず、技術と科っています。参加しているのは子メキシコのユカタン半島に落ちた学は違うということです。技術は供から大人までさまざまですが、ことが原因とする説がありますね。

必要かそうでないか、一方、科彼らに火山の噴火の絵を描いても学は好きか嫌いかという点が重要らった結果を見せてもらいましたが、隕石による恐竜絶滅説をです。例えば、車はいるかいらな

一見落書きのようにしか見えない唱えたのは、アルバレというアメリいか、それに対し、フェラーリは好絵から、頑張って描き込んでいるカの物理学者です。彼はもともときか嫌いか、ということです。

絵まで、さまざまでした。ここで重田中は加速器の専門家で、アルバレそこにデザイン性や芸術性が入要だと思うことは、科学に興味が型加速器を作った人です。素粒ってくるわけです。その点で、科ないわけではないということです。

子研究によりノーベル賞も受賞して学は芸術と共通点があり、私自身ここから科学をどう好きになってもらいます。

は昔からそういうものに興味を持っうか、これまでとは別のアプローチていました。

が求められているように思います。

彼は元素分析の技術をイリジウムの微量分析に使い、ユカタン半子供たちが理科離れをしたとし島にある巨大なクレーターを隕石にても、技術は一定の需要があるの─ 科学は芸術と共通点があるよるものと断定し、そこから隕石にで、それほど衰えることはないでしという話が出ましたが、最近は科よる恐竜絶滅説を唱えたのです。

ょう。しかし、科学も芸術も嫌いな学技術を使ってアートを制作する

実は、この研究者は前にお話しものが増えれば、そこから離れて人も増えているように思えますが、いくでしょう。

先生はどのようにお感じになりました、ミュオグラフィを使ってエジプすか。

トのピラミッドを初めて調査した人科学から離れていくのを防ぐに物でもあります。ミュオグラフィと恐は、科学好きを増やすという別の竜絶滅説は、こういう意外なところアプローチが必要なのではないで田中で繋がりがあるわけです。

しょうか。従来通りの理科教育を解しているわけではないのですが、続けていても、新しい創造は出て昨今、少なくとも科学技術を使っこないと思います。

たアートは流行っています。

技術は必要かそうでないか
科学は好きか嫌いかが重要

それらについてきちんと理

例えば、ミュオグラフィに理解の古くから絵の具などを使って絵ある画家が市民大学で講座を持を描いていたわけですが、最近は─ 話題は変わりますが、昨今、子供たちの理科離れが指摘されています。田中先生はこれをどのようにお感じになりますか。
田中

子供たちの理科離れというのは、日本よりもヨーロッパのほうが危機的とも言えるくらいに進んでいます。私と一緒に研究を行っているヨーロッパの科学者は、どのように教育プログラムを進めるか、新しいアプローチに取り組んでいる方がいます。

22MUOGRAPHERS 2016 IM2N Workshop/2016年度/駐日ハンガリー大使館/ミュオグラフィ研究におけるイノベーション創成のためのワークショップでの田中先生（写真左）科学
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3MUOGRAPHERS 2016 General Assembly/2016年度/駐日欧州連合代表部/世界のミュオグラフィ研究者の総会

LEDやドローンなどを使ってアート

それを医師が見て、所見を出すよ田中 ミューオンの透過力は岩盤を作り出しているようです。あるうなシステムがあります。だからこで３〜５キロほどですが、ニュートリ意味、アートを制作するためのそ医療に役立っているわけです。

ノは非常に強い貫通力があり、地技術が変わってきたのだと思いま

そこで、私たちが目指しているこ球などはほとんど透明のようなものす。しかし、技術と違って、サイとは、例えば、鹿児島・桜島のミで、簡単に通り抜けてしまいます。

エンスとアートは同じカテゴリーのュオグラフィを私たちが作り、それしかし、地球を通り抜けると3分ものだと思うので、融合するのか、をスマートフォンなどで簡単に見らの1ぐらいに数が減るエネルギー敵対するのか、これは難しい問れるようにすることです。このように領域のニュートリノを使うと、地球題だと思います。

すれば、火山学者自身がミュオグのレントゲン写真を撮影することがラフィを扱えなくても、噴火と連動可能になります。ニュートリノは地して、それぞれの研究にミュオグラ球の密度が低いところは通り抜け、フィを役立てることができるはずで密度が高いところは留まって通りす。

抜けられず、影になって映るのでミュオグラフィをもっと多くの人に利用してもらうために今、ミュオグラフィはあらゆる方す。

─ これからミュオグラフィがど向に進みつつあります。研究が発これは壮大な話ですが、そののようになっていくのか、その将展するには、さまざまな研究を調研究は南極にあるニュートリノ研究来像などについてお話しいただ

整し、いかに同じ方向性を持って施設で進められています。

けますか。

進めるかが大切です。それを続けることによって、応用分野の広いミ田中

今のところ、ミュオグラフィュオグラフィは幅広い研究に新たは素粒子物理学者にしか作成でな価値基準と研究成果をもたらすきず、火山学者がミュオグラフィことができるでしょう。

を手軽に利用できるようにはなっていません。

——最後になりますが、素粒子

一方、レントゲン写真では、研究全体について、将来的に期各病院でレントゲン写真を撮影し、待される研究はございますか。

次号「科学の峰々」では、東京理科大学副学長、宇宙航空研究開発機構・技術参与、宇宙飛行士、医師・医学博士の向井千秋 先生にお話しいただきます。

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