科学機器

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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

ミユ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 上
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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レントゲン写真のように火山の内部を透視する
ミュオグラフィ

語られなかった火山や地球の内部なってできています。銀河系内では、をミューオンという素粒子を使ってこの超新星爆発は数十年に1回ぐ透視する研究です。

らいはどこかで起こっています。ミミューオンは、数キロメートルのューオンは数万光年離れたところ岩盤さえ通り抜ける高い透過力をから、1千万年ぐらいかけて地球─ 田中先生のご研究は、素粒持っていますが、非常に高密度に届くのですが、その経路は真っ子を利用して火山などの内部をの物質の中では、ひしめく合う原直ぐではありません。

透視する「ミュオグラフィ」と伺っ子に邪魔され、通過できるミューオ銀河には磁場があり、ミューオております。まず、透視技術の基ンの個数が減ってしまいます。こンはそこに捕えられます。例えると、礎的な原理をお聞かせいただけの性質を利用してミューオンの飛銀河という巨大なスポンジに吸わますか。

来した方向と数を検出することでれて、そこに蓄えられ、そこから少物体内部の密度分布を調べるこしずつしみ出すように放出されるのとができます。

です。そのようにしてミューオンは

田中 ミュオグラフィとは、ミューオンという素粒子を用いた透視撮影

一つ一つの超新星から予想もつ
─ミューオンという素粒子は、かないような経路で地球に届き、１９世紀の終わりに「見えないも常に地上に降り注いでいるものな地上に常に降り注いでいます。のを見せる」 透視技術、放射線のでしょうか。詳しく説明いただを活用したX線が誕生しました。そけますか。

技術です。

して２１世紀には、透視対象物のその素粒子は地球に届くと、大気と衝突して新たな粒子メソンを作りますが、これは1億分の1秒で消大きさも巨大化し、大地の中で実田中 ミューオンは銀河の遥か彼滅してしまい、ミューオンになります。

際に何が起きているのか？これまで方で起こった超新星爆発によってメソンに比べるとミューオンはまだ間接的な観測に基づく仮説でしか大量に加速された素粒子がもとと安定しているのですが、それでも地上に降り注ぐミューオン素粒子の飛来イメージとミュオグラフィのイメージ。
火山観測で用いるミオグラフィ装置の大きさは、２×２×３㎥、重さは20トン近くにも上る。

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１００万分の２秒ぐらいで崩壊します。しかし、アインシュタインの相対性理論の効果により、運動する物体の時間の進みが遅れ、寿命2006年、 東京大学が世界初の透視技術ミュオグラフィを開発

遺跡・洞窟・原発の調査や惑星の探査などにも応用─ 世界に波及したミュオグラフが延びます。
本来１００万分の２秒しか生きら─ミュオグラフィの研究は、いつィのいくつかの応用例を簡単にごれないと６００ｍほどしか進めないごろから始まったものなのでしょうか。

説明いただけますか。

よって、その１０倍から１００倍も進田中 ミュオグラフィは、６０年以

田中 ピラミッドの調査では、エジむことができます。

上の歴史があります。１９５５年にプト政府とフランス、日本が協力しこのように宇宙から飛んでくるミオーストラリアの物理学者が考案て行っているもので、ミュオグラフィ

ューオンを使って火山などの内部し、ガイガーカウンターを使って岩を使ってクフ王のピラミッド調査がの密度をレントゲン写真のように透盤の厚みなどを測定していました。

行われました。

視撮影することができるのです。

しかし、当時はミューオンがどこか

ピラミッドは長い間、王の墓と考医療検査で使われるレントゲンら飛んでくるのか分からず、きちんえられてきましたが、 内部はグラン

写真では、骨のところはX線が通としたイメージングをすることはでき

ドギャラリーと王の間、王妃の間とらないので黒い影となり、X線がたませんでした。

３つの空間がありますが、結果はのですが、相対性理論の効果にくさん通るその他のところは白く映り

その後、１９６８年、アメリカのすべて空でした。そのほかには公ます。皆さんが見るレントゲン写真

物理学者がミューオンを使えば、共事業のために造られたとか、天は、その白黒を反転させているわ

エジプトのピラミッドの内部の様子

体観測ツールだったとか、いくつかけです。

が分かるかもしれないと言って、カの説があります。その仮説に終止

ミュオグラフィの場合、ミューオフラー王のピラミッドを調査しました。

符を打ちたいと、内部に王の墓がンが通過しないところは、密度のこのようにミュオグラフィの歴史あるのか、それとも新たな空間が高い重い物質があるところで、赤は長く、遺跡調査や資源探査にあるのかなどを調べているようです。

く色付けしています。火山の透視用いられて来ましたが、なかなか洞窟探査は日本では盛んではあ図ではマグマなどが赤く表示されよい結果が得られず、主要な技術りませんが、海外ではけっこう需ますが、赤いところは熱いわけでとなることはありませんでした。

要があります。例えば、クロマニヨはなく、物質の密度が高いところ

ところが、２００６年に私たち東ン人が壁画を描いた洞窟の周囲です。一方、ミューオンが通り抜京大学が世界で初めてミューオンに、まだ発見されていない洞窟がけたところは物質の密度が少なく、を使って巨大物体の内部構造をないかなど、洞窟探査にも使われ軽い物質があるところで、青く色見ることに成功しました。その後、ています。

付けをしています。

一気にこの透視技術が世界へ波

実は、ミューオンの透過図をカ及していったのです。

次に、二酸化炭素についてですが、地球温暖化の対策としてラーで表現したのは私たち東京大現在では火山の内部探査のほ二酸化炭素の排出に規制がかか学が世界で初めてでした。カラー

か、ピラミッドの調査、洞窟探査、るようになり、削減できなかった分で表現するとサーモグラフィーのよ二酸化炭素を地下に閉じ込めたとはお金を払って排出するか、自国うな印象になってしまうので、より良きの地下の構造調査、被災したで処理する必要が出てきました。

い表現方法を検討しているところ

福島第一原発での調査、さらには日本では北海道の苫小牧で、です。

宇宙へも活躍の場を広げています。

地下に二酸化炭素を貯留しようと

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産 学 官との 連 携いう実験が行われています。しかし、地下の空間に亀裂などが入っていると、二酸化炭素が漏れてしまい、大きな産業用プラントの経年変化の調査にも活用─ この技術を使えば、道路などが陥没していないかを調べることもできそうですね。

意味がなくなってしまいます。
岩盤は二酸化炭素を吸うと密─ 民間企業からの調査依頼で田中

度が変わるのですが、穴の中にミミュオグラフィが使われることはごングできないかという話をいただいュオグラフィの装置を入れて岩盤ざいますか。

たことがあります。現在は高速道の密度を測り、二酸化炭素が確以前、高速道路をモニタリ路の下にギャラリーという空間があ実に吸われているかどうか、モニ田中

企業から依頼され、産業り、そこに作業員が入って、上かタリングするという研究が進められ用プラントや土木事業などでのイメらエックス線を照射し、下で画像をています。

ージングに使われることはあります。

撮影して道路の点検をしています。

次に、東日本大震災で被災しこれまで大きな産業用プラントやダこの方法ではエックス線なのでた福島第一原発では、メルトダウ

ム、トンネルなどは図面通りに作り、ピンポイントの撮影となり、面としてンによってどれくらいの核物質が下経年劣化はシュミレーションに頼っ捉えることはできません。そこでミに漏れ出しているのか、その調査ていました。

ュオグラフィの装置を初めから埋めにもミュオグラフィが使われています。

そこにミュオグラフィを使えば、込んだ高速道路を作っておけば、このプロジェクトは震災後すぐに溶鉱炉、電炉、原子炉などプランリアルタイムで、広い範囲をモニタ始まったのですが、最近になって、ト内部の様子を調べたり、あるいは、リングできるのでないかという提案

原発がメルトダウンしていることがトンネルの隣に地下水が溜まってをしました。

明らかになったと東京電力が説明いないか、土砂降りのときに水がしました。ミュオグラフィを使った調どんな影響を与えるのかといったこ─ミューオンを使って計れる構

査で、メルトダウンしている核燃料とを調べることができるのです。

造物の大きさは、どのくらいになは２００トン程度と推定されており、るのでしょうか。

相当な物質がメルトダウンしているとこがわかりました。
─ 宇宙開発では、どのように使われようとしているのでしょうか。
田中 ミュオグラフィの元になっている素粒子物質は、何光年も離れた場所で起きている超新星爆発
なので、どこでも同じように降り注いでいます。そこで、特に海外で話題になったのですが、ミュオグラフィを火星で生命探査に使えないか、小惑星での資源探査に使えないかという研究が始まりつつあります。
火山ミュオグラフィの原理。
空から飛来してくるミューオンを地上に設置した観測装置でとらえ、画像化する。

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田中 ミューオンが届く範囲です

つながるのか、その噴火は長く続吹き飛ばしたことが分かります。こので、測定できる対象の直径は約くのか、それとも1回きりの噴火なのミュオグラフィの画像を受けて、５キロメートルが最大となります。のか、それを噴煙だけで評価しろ

２００９年は小規模な噴火と断定さと言われても難しいのです。

れたのですが、実際、そのときの─ミュオグラフィの装置を一度では、火山の内部ではどんなこ置けば、常に測定・検出が可能とが起こっているのかというと、一その後、噴火による噴出物のというわけですね。

つは水蒸気爆発です。マグマが科学的な分析が行われました。そ地表近くまで上がり、地下水を熱の分析によって２００４年に起こった

田中 それがミュオグラフィの売りして圧力を高めます。圧力が高ま一つ前の噴火の噴出物と化学組の一つなのですが、現時点ではると、火口付近の蓋のような部分成が一致したため、噴火によって装置がとても高額で、億単位のが吹き飛ばされますが、マグマは火口付近で固まった古いマグマが費用がかかります。その大きさは外には噴出しません。

吹き飛ばされたことが分かりました。

噴火は1回きりで終わりました。

ひと部屋ぐらいのスペースをとって一方、マグマが上がってきて、次に２０１３年の硫黄島のミュオしまいます。しかし、一桁ぐらい金溶岩が噴き出すタイプは、多くのグラフィを見ると、まず、火口近く額を安くできる技術が出てきている

場合、噴火は長引き、警戒しなに青で表示されている部分がありので、それが実用化できれば、よければいけない噴火です。

ます。そこは密度が低いところで、り多くの場面で活躍ができるのではないかと考えています。

ミュオグラフィを使って火山内部のマグマを透視一例として２００９年の浅間山のマグマの通り道です。次の画像で、噴火と２０１３年の硫黄島の噴火をそのマグマの通り道に赤く表示されミュオグラフィの画像を比較するとる密度の高いもの、つまり、マグマわかります。

が上がってきたことが分かります。

浅間山の噴火直後の画像を見観測を始めたのは最初の噴火

ると、密度の高い物質、つまり、のところからで、ミュオグラフィによ─ 田中先生が取り組んでおらマグマが火口近くへ上がって来た

りマグマが上がってきたことが観測れるミュオグラフィを使った火山のということは確認できません。密度されました。観測を続けていると、ご研究について、詳しくご説明いの低いもの、つまり、高温の水蒸マグマは上がったり下がったりを繰ただけますか。

気が上がってきて、火口の一部をり返し、活動は長く続きました。

田中

火山の噴火は、初めは小さなものでも、大噴火につながることがあります。
例えば、噴火から３０周年を迎えた伊豆大島の三原山は、最初の噴火は小さなものでした。噴火を見ようと人が集まり、それが観光資源になるので島では歓迎ムードがありました。ところが、大噴火が起こり、５万人の島民が島を離れる全島避難となりました。
最初の小さな噴火が大噴火に

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2006年に世界で初めて撮影された火山内部の透視画像（左）。対象火山は浅間山。2009年の浅間山噴火前後のミュオグラフィ画像（右）。マグマは上昇してきていないが（凹部の下のオレンジの通路に大きな違いが見られない）、火口の一部が欠損した（吹き飛んだ）様子（点線）がわかる。

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以前、アイスランドで火山が噴どうか、火山灰が周辺にどれくら態からそれが何を意味しているの火し、噴煙の影響で西ヨーロッパい降り注ぐのか、ミュオグラフィをかを解いていかなければならないの空港が閉鎖されました。これま使って取り組んでいます。

ことです。

では噴火がいつまで続くのか、そレントゲン写真の場合、解剖学して空港がいつまで閉鎖されてい─ミュオグラフィを活かして、火の知識が元になり、映し出されたるのか、その経済損失がどのくら山の噴火予知や地震予知は可能ものが何か分かっています。そのいになるのか、予測ができませんなのでしょうか。

点、火山研究はクリアで分かりやでした。こうしたことからも、噴火すい結論を出すことが難しく、このを学術的に明らかにすることは重田中要な研究だと考えています。

プレートの動きにより発生する地震

地震には火山性の地震と点が、これからの研究分野だと考えています。の2つがあります。このうちプレート─ 現在、ミュオグラフィを使ってによる地震は日本のどこでも起こり

─ 海外でもミュオグラフィを活か観測している火山はどのくらいあうるものです。ミュオグラフィは対象した研究は進んでいるのでしょうか。

るのでしょうか。

を特定しないといけないので、地震予知への応用は難しいでしょう。

田中 メインで観測しているのはまた、火山研究の難しい点は、

田中

火山が集中しているのは、リング・オブ・ファイアと呼ばれる太鹿児島の桜島です。桜島は何度ミュオグラフィによって画像が手に平洋を取り巻く地域、アフリカ大陸も噴火していますが、私たちが知入っても、今まで誰も火山の内部とヨーロッパ大陸のプレートがぶつりたいのは、噴火が大きくなるのかを見た人がいないので、ゼロの状かっているところ、アフリカ大陸とインドのプレートの境界である東アフリカ、それとカリブ海です。
ミュオグラフィを火山に適用した研究を精力的に行っているのは、それらの地域にある国々です。日
本、イタリアをはじめ、そこに植民地を持っていたフランスやイギリス、スペインなどです。火山以外にもそれぞれの国の地理に応じてミュオグラフィの適用範囲は変わってきます。エジプトではピラミッド、スイスでは氷河、ハンガリーでは洞窟、アメリカ、カナダでは地下資源などです。私たちはそれらの国々と新しい研究を立ち上げています。

2013年の薩摩硫黄島において、ミュオグラフィでマグマ昇降を初めてとらえた様子。6月16日と30日には火映が確認された。火映とはマグマなど高温物質が地表付近に近づき夜間火口底が赤く映える現象をいう。この期間にはマグマの通り道を示す青い部分が減っており、マグマが上がってきていたことが示唆される。

次号「科学の峰々」では引き続き田中宏幸先生に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）をお話いただきます。

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