202116インタビュー

多様な分析に負ミュオンを使えるようにするために
反保 元伸

ミュオン科学が切りひらく文化財科学の世界
貨幣の﹁色付﹂技術の進化︑青銅製品の原料のルーツを知りたい
齋藤 努

医療文化財を次世代に繋ぐ挑戦髙橋 京子

人文科学にも広がる
J-PARCの量子ビームの応用

特 集負ミュオン元素分析とは物質を構成する原子の中の電子は、原子核の周近づくことができる。したがって、外側の軌道かりのとびとびのエネルギーの軌道を回っている。

ら内側の軌道に負ミュオンが移動する際に出され外側のエネルギーの高い軌道から内側の低い軌道る光（ミュオン特性 X 線）のエネルギーは高い。に移って安定化するときに、その差分に相当する

そのため、試料内部の深い場所で出される特性 Xエネルギーを光として放出する。電子軌道のエネ線も試料の外側まで出てくることができるので、ルギーは元素ごとに決まっているので、放出され検出器に導き測定できる。

る光のエネルギーは元素に固有である。この原理

電子軌道のエネルギーがとびとびであることは、を利用した蛍光 X 線分析などの非破壊元素分析

高校から大学で学ぶ “ 量子力学 ” の教えるところの手法が用いられている。

であるが、質量が200倍重い負ミュオンが原子

負ミュオンは、負の電荷を持ち、電子と似た性核の周りを回る描像は量子力学だけでは正しく記質の素粒子だが、質量が電子の約200倍と重い。

述できず、量子電磁力学などのより高度な理論が物質に負ミュオンを打ち込むと物質中の原子核に必要となる。“ 文 ” への応用が今まさに始まった

捕獲され、電子の代わりに負ミュオンが原子核のこの分析法は、現代物理学に基づく “ 理の粋 ” と周りを回るミュオニック原子を形成する。電子よいえる。興味を持った中高生、学部生の皆さんは、りも重い負ミュオンは、電子と比べて、原子核に将来、この分野の研究に携わってみては？！

原子核
ミュオン

電子
ミュオン特性X線

文化財を非破壊で分析したい
文化財の分析では、壊して調べることのできない貴重な資料が多い。これまでも放射光や電子線、中性子線を用

人文科学にも広がる
J-PARC の量子ビームの応用
J-PARC 加速器がつくり出す量子ビームの応用は、理工系科学の分野にとどまらない。物質・生命科学実験施設（MLF）で生み出す負ミュオンビームを文化財の非破壊元素分析に使用し、いて文化財の非破壊分析が行われてきた。

負ミュオンのメリット

負ミュオン元素分析を可能にした J-PARC

文化財によく適用される蛍光 X 線分析では、放出され負ミュオン元素分析が有効な分析法でありながらこれまる X 線のエネルギーが低いので、試料内部の深い場所かであまり行われてこなかった大きな理由は、従来のミュオら出る X 線は試料の外側まで出てくることができず、分ン施設では大強度（粒子の数が多いこと）の負ミュオンビー析ができない。負ミュオンの特性 X 線はエネルギーが高ムが得られなかったことだ。J-PARC では、世界最高強いので、リチウムをはじめとした軽元素であっても極めて度の負ミュオンビームをつくり、測定装置に導くビームラ

人文科学の分野に新たな知見をもたらすことがわかってきた。本号では、J-PARC ミュオン実高い収率で検出が可能だ。しかも、試料表面だけでなく、インの建設に成功し、文化財分析に貢献することが可能だ。

験施設（MUSE）で始まった “ 文理融合研究 ” にフォーカスする。

内部の深い位置の成分を知りたい文化財の分析には有効だ。
（囲み記事「負ミュオン元素分析とは」参照）

反保 元伸研究員

文化財の非破壊分析において、試料中の見たい深さを見られることが、重要なポイントだ。そのために必要な速さのミュオンビームを測定装置に導入する必要がある。さらに、限られたビームタイムの中で多数の測定を行えるように、1回の測定にかかる時間を短くすることが要求される。
そのために必須なのが、大強度ビームと、検出器でできるだけ多くの特性 X 線を捉えること。J-PARC ミュオンセクションの反保氏は5年の歳月をかけて技術開発に取り組み、必要な条件のミュオンビームを測定装置に輸送するビームラインと X 線検出器を整え、文化財分析が本格始（聞動した。これまでのその道のりから今後の展望まで、お話を伺った。
き手：J-PARC 広報セクション）

貨幣の深さ方向の成分分布や高エネルギー加速器研究機構
物質構造科学研究所
J-PARC センター
物質・生命科学ディビジョン

薬瓶と内容薬両方の成分特性が知りたい！

多様 な分析に負ミュオン を使えるようにするためにInterview

欲しい速さのミュオンビームを測定装置に導入するためにオンビームがシンチレータという検出器に入射して発する光をミュオンの速さが分かっていれば、試料中で止まる深さは正ばやく測定できるオンラインモニターを開発した。「いままで確に計算できる。ミュオンの速さが速いほど試料の奥深くまでは分布形状を手動で解析して調整を行っていたので、時間がか入って止まるので、止めたい深さに対応する速さのミュオンビーかり、限られたマシンタイムの中では微調整しかできませんでムをつくる必要がある。
「J-PARC では RCS 加速器で加速さした。発光総量をオンラインで瞬時に自動化プログラムに取りれた3 GeV という高いエネルギーの陽子からミュオンを生成込むことにより、ハイスピードで大幅な変更調整ができるようします。これは、エネルギーが高いほうがミュオンの親粒子でになりました。その結果、ビームの形状を効率良く最適化するあるπ中間子を生成しやすいからですが、π中間子が崩壊してことができるようになりました。
」と反保氏。

撮像することで、ビームの分布形状をモニターしていた。反保氏は、形状とともに、ミュオンによる発光の総量についてもすできるミュオンも、エネルギーの高い（＝速さの速い）ものが多くできます。試料の表面近くの浅いところでミュオンを止めたい場合には、速さの遅いミュオンが必要ですが、つくられるミュオンビームの中に、速さの遅いものは多くは含まれていまたくさんの特性 X 線を捉えて短時間で測定したいせん。こうした速さの分布を持ったビームの中から、欲しい速もう1つ、測定にかかる時間を左右する大きな要素が、X 線さのミュオンだけを取り出して、測定装置に運ぶのです。
」と、検出器だ。負ミュオンによる非破壊元素分析では、試料にミュ反保氏は説明してくれた。ミュオンは電荷を持つので、磁場をオンを当てた際に出される特性 X 線のエネルギーを測定する。

かけると力を受けて曲がり（フレミングの左手の法則）、速さ

特性 X 線は四方八方に出るので、そのうちのなるべく広い領が速いほど曲がり方が大きくなる。これを利用して、ある特定域（立体角）を検出器で覆って効率良く X 線を捉えれば、短の速さのミュオンを取り出すことができる。さらに、取り出し時間で十分な信号強度を得ることができる。しかし、問題もある。

た欲しい速さのビームを測定装置のところまで運ぶ際にも、進X 線検出器の一つであるゲルマニウム半導体検出器で2つの X路を曲げたり、広がろうとするビームを絞り込んだりするために、線を計測することを考えてみよう。ゲルマニウム（Ge）半導電磁石を使用する。電磁石は全部で17台。
「それぞれの電磁石

体は2つの X 線のエネルギー差が小さい場合でも大きな電気信の磁場の強さや磁場を発生させるタイミングなどの条件を最適号の差を生じるので、エネルギー分解能が高く、比較的近いエに決めることで、最適な条件のビームを測定装置まで輸送しま

ネルギーの特性 X 線を出す元素同士を区別するのに有利であす。1番目の電磁石の条件はこう、2番目はこう、……と、17る。しかしこの半導体は電気信号の処理に時間がかかる。2つ台について決めていくのを、以前は手動で行っており、非常にの X 線がほぼ同じタイミングで入るような立体角にすると、一時間がかかっていました。
」と反保氏は語った。これをコンピュー

つ目の X 線処理中に次の X 線が入ってきて区別できなくなる

タプログラムで自動で行うシステムが開発され、別のビームラことが起こり、測定ができない。現在の J-PARC におけるミュインには導入されていた。反保氏は、このシステムを当該のビーオンビームの時間幅は Ge 半導体検出器の信号処理時間よりもムラインに適用できるように改良し、導入した。

はるかに短い。したがって、半導体検出器にはミュオン1パルスにつき X 線が1個入るような立体角で検出器を設置してやる

ビームモニターを開発必要がある。そこで、Ge 検出器を多数配置でき、ビーム強度電磁石調整の自動化に当たり重要なのは、ビームモニターステムの設計にした。さらに、大型放射光施設 SPring-8から、だ。ビームラインには17台の電磁石があり、ビームを輸送す小さな素子を並べた100素子の検出器のお古を譲り受けることる磁場をつくる電流値を上流から順に調整する。調整した結果、ができ、これを使用できるシステムを2020年末に構築した。

ビームが絞れて強度が強まっているかをモニターし、その結果こうして、ビームライン電磁石の調整の自動化、X 線検出器のをフィードバックして、電流値を変えていく。これを繰り返し工夫の双方により、測定時間が短縮されることは、限られた割て、17台の電磁石を最適な条件に設定するのだ。従来は、ミュり当て時間の中で様々な測定を行いたい J-PARC ユーザの研に応じて、検出器を試料に近づけたり遠ざけたりできる測定シ究者にとって、大きなメリットだ。

開拓者としての思い「ミュオン生成標的でつくられたビームをとりだすビームラインは、1本しかなく、しかも、調整が不十分でした。今後、さらに測定時間を短縮して、多くの文化財やその他のあらゆる試料について、限られたビーム使用時間の中でいかに多くの測定を行えるようにするかを検討できるところまでようやく来ました。ここからが勝負です。
」このように熱く語る反保氏の活躍により、J-PARC のミュオンで、ますます多くの測定が可能になっていくことだろう。

文化財を自然科学的に調べたい ─現在、日本には、独自に進化した伝統医薬齋藤氏が取り組むテーマは、大きく2つ。

（生薬：天然の薬物）の文化と今に通1つは、日本の江戸時代の金貨、銀貨の裏じる世界水準の東西融合医療がある。に潜む当時の技術の進歩を知ること。もう生薬学は薬学の始まりの学問であり、1つは、日本で銅が採れなくなっていた中文化人類学的要素を持つ。生薬学を専

世の青銅製品の原料のルーツを知ること。

門とする髙橋氏は、これを国内外に示分析化学を専門とする立場から、様々な自し、後世に伝えるために、博物学的医然科学の分析手法を駆使して切り込む。中薬品（生薬標本類）に特化した温故知でも、試料内部を非破壊で見られるミュオ新の研究を進めている。文化財の新たンは、夢のような有用技術だという。“ 文 ”なカテゴリーに医療・薬物を挙げ、歴と “ 理 ” をつなぐ最前線で活躍する齋藤氏に、史考証と自然科学的解析に立脚したお話を伺った。

「医療文化財」の研究分野を確立しよ

10mm
提供：髙橋
ミュオン測定対象薬瓶

うとする髙橋氏に、お話を伺った。

ミュオンで貨幣の「色付」技術の変遷に迫る

Interview
国立歴史民俗博物館

齋藤 努教授ならなかった可能性が示された。今後も別の青銅資料の測定を重ねていくという。

薬瓶と内容薬両方の成分が知りたい！と 髙 橋 氏。本 命（ 甘 汞 ）の開かずの薬瓶は、短時間で大阪大学には、江戸時代の蘭医学者・医師、緒方洪庵の薬箱測定して持ち帰らなければミュオンへのさらなる期待が子孫から寄贈され、現在に伝わる。
「洪庵の薬箱に遺されたならない制約がある。
「ビー

収納薬物研究が示す、最先端の蘭方と既存の治療薬で、当時のム測定後に、資料が放射化には銀が、丁銀（銀貨）には、「深さ方向の多数の位置で測定したいことに加え、文化財は感染症（コレラ・インフルエンザ）治療に尽力した姿は、今ましてすぐに持ち出せなくな

銅が混ぜられている。価値あ同一個体内での不均一性、個体間差が大きい。割り当てられたさに COVID-19 のパンデミックの脅威にさらされる我々へのる可能性について、J-PARC

江 戸 時 代 の 小 判（ 金 貨 ）Interview
大阪大学総合学術博物館／
適塾記念センター髙橋 京子招へい教授る貨幣に見せかけて、安価に製有限の時間でできるだけ多く測れるように、1回あたりの測定示唆に富んでいます。
」と、髙橋氏は語る。薬箱は医師の診療の専門家の方々が気を遣ってく造する工夫である。それを実現した時間を短くしてほしい。」そのための、X 線検出器の増設と、ミュカバンで保存目的仕様でないため、150年以上の経年劣化によれました。また予試験の成果から、のが「色付」と呼ばれる表面処理の技術だ。

オンビームのさらなる大強度化への期待の大きさが伺えた。まり大半の薬容器のふたが開かなくなっていた。壊さずに、内容高エネルギーでビーム照射ができ、事前小判は、表面を薬品で処理することによって、銀だけが溶けてた、中国の秦や日本の飛鳥時代にはすでに、現在の10円玉程薬の成分を知りたい。容器劣化への影響はないのか。材質や成の蛍光 X 線解析で確認した外側の薬瓶由来のケイ素 Si、鉛 Pb表面から除かれる。丁銀の場合も同様に、表面から銅だけを取度の小さな貨幣が使われていた。そのくらいの小さな資料が測分解明に基づく恒久的な保存環境の最適化が次世代への継承ののほかに、水銀 Hg と塩素 Cl が検出され、内容薬の成分は文り除く。
「小判も丁銀も、江戸時代を通じて金／銀の濃度が変遷れるようになると、調べたいものは爆発的に増えるという。
「ミュカギとなる。

献検証から推測したとおり塩化水銀（I）Hg2Cl2 であることがしているのですが、それとともに色付けの技術も変わっていっオンビームを小さい試料にあてると、得られる信号は弱くなりたのかが、一番知りたいことです。
」と齋藤氏。小判を調べた時ますが、検出器を増やせば、対応できるようになるのだそうでには狭い範囲で小判の表面を削りながら内部の成分を測定したす。
」と、期待を寄せる。

裏付けられました。
」こうして、J-PARC のミュオンで課題を“ 文 ” と “ 理 ” の手法を駆使して達成できた。

開かずの薬瓶のふたには、「甘」1文字の洪庵独自の略号が書が、丁銀は、できれば削らずに内部を分析したい。ミュオンで医療文化財科学を確立したい！

“ 文 ” と “ 理 ” の間でかれている。まずは、洪庵執筆の刊行書を中心にその関連文献を網羅的に調査し、1000近い医薬品名の中から「甘」の字を髙橋氏は昨年3月で定年退職を迎え、現在、招へい教授とし表面処理技術としては、梅酢を使う方法が記録に残されてい齋藤氏は、国立歴史民俗博物館内の考古学、文献史学等、他含む医薬品をスクリーニングする。候補を絞り込んだ結果、甘て活動中である。
「文化財の次世代への継承はその理念のみなる。ただ、美術工芸品にはほかの手法が古くから使われていた分野の研究者と共同で、文化財科学の研究を行っている。いろ汞〔塩化水銀（I）Hg2Cl2 〕であると推測した。次に、自然科らず、保存環境の最適化と劣化遅延・修復技術の確立なくしてことも知られている。「今後、合金のテストピースをこれらのんな分析手法を組み合わせて、いろんな分野の「知りたい」に学的分析による検証だが、液体クロマトグラフィーや遺伝子解は達成できません。今後、文系 / 理系の若手研究者が共に文化方法で表面処理し、実際の丁銀と比べることで、当時の具体的迫るアプローチを提案できるのが、齋藤氏の強みだ。「文系と析など破壊や消費を伴う分析は今や許されず、非破壊分析が求財資料研究を進めていける相互理解と社会環境づくりを支援しなやり方の解明に迫れると考えています。」と語ってくれた。

理系の人がお互いを理解するのは、けっこう難しい。蛍光 X 線められる。蛍光 X 線解析で瓶容器が鉛カリガラスと判明したが、たい。これまで自分がやってきた成果を講演や本の執筆など分析は青銅資料の表面のさびの部分しか測れないので、参考程薬の成分はわからない。そこで、初めて人工ミュオンビームをで発信することが私の宿題です。
」と、今後の夢を語ってくれ度にしかならないのですが、文系の人の中には、さびの部分と医療文化財に適用することに挑戦した。

た。そして、「ミュオンは医療文化財の新たな価値を発見でき可能かもしれないと聞き、測定してみたところ、非破壊のままで、表面ほど銀が多くなっていくようすをみてとることができた。

青銅製品のさびの内側も見られる！
いカン

コウ

内部の違いがよくわからず、その値が正確だと思っている人も中世の青銅製品は、中国から輸入された渡来銭を鋳つぶしています。ミュオンなら、さびた資料の内部が測れることを理解つくったという説がある。銅、スズ、鉛の合金である青銅の成してほしいが、ハードルは高い。同様に、J-PARC の人にも、るツールになるミュオンで薬瓶と内容薬の両方の測定に挑む！と信じていまよ、謎解きのこす。おもしろい

分比を調べれば、原料が渡来銭由来であるのか、推測できる。

もっと文系の研究の進め方に対する理解を深めてほしい。」と大学至宝の持出許可は容易でない。そこで、既知成分の博物そのためには、さびた表面の内側のもともとの成分を、削った語る齋藤氏は、まさに “ 文 ” と “ 理 ” の仲立ちに日々取り組んで学的医薬品（昭和初期の医薬品：昇汞錠）を用いて、ミュオンの 世 界 ！ 」と、り壊したりせずに調べる必要があった。ミュオンで青銅製の経いる。J-PARC のミュオンビームラインが文理融合研究にます

ビームのエネルギーや照射時間を検討し、測定可能な実験条件次世代の研究者筒や青銅鏡の成分比を測定したところ、資料間のばらつきが小ます貢献していくために欠かせない人物の1人として、活躍にを探った。「ミュオンビームの透過性の高さから瓶容器と内容にエールを送っさいことが分かり、成分比のばらつきが大きい渡来銭は原料に期待する。

薬両方の成分測定に初めて成功し、有用性を確信しました。
」てくれた。

ショウコウジョウ

提供：髙橋、緒方洪庵使用薬箱（右）壮年・（左）晩年期

2021 No. 16表紙：負ミュオンによる小判の非破壊元素分析のイメージ図

負ミュオン元素分析の開発に携わっているJ-PARC MUSEのスタッフご意見、ご感想をお待ちしております。

web-staﬀ@j-parc.jp＜ 編集後記 ＞"理の粋"ともいえる負ミュオン元素分析が文化財科学の分野に知見をもたらすためには、その間をつなぐ、様々な立場の方々の努力があることを垣間見ることができました。そして、私達、広報セクションは、そうした研究の現場と読者の皆様の間をつなぎ、これからもJ-PARCの研究の魅力をお伝えしていきます。

季刊誌 J-PARC No.16

2021年3月発行

発行／J-PARCセンター 〒319-1195 茨城県那珂郡東海村大字白方2-4

企画・編集／J-PARCセンター広報セクション CG制作／宮崎 剛（カシカガク） デザイン／遊文舎

http://j-parc.jp