第58回 東レ科学振興会科学講演会記録
平成20年9月19日 東京 有楽町朝日ホール

素粒子を応用したラジオグラフィー

カリフォルニア大学物理研究員
東京大学名誉教授

本日は大変名誉ある講演会にお招きいただ

永嶺

謙忠

うまくいかないかもしれません。

きましてありがとうございました。私は長らラジオグラフィーの代表例はレントゲン写

く東大とKEKで実験室を持ちながら研究を真です。皆さんは毎年レントゲン写真撮影のして、その途中に理化学研究所と兼任になり機械の前にお立ちになると思いますが、レン

ましたが、３年ほど前に退官して、現在はカ

トゲンはエックス線を人体にあてることからリフォルニア大学リバーサイド校で研究を続

始まり、そのエックス線は、電子を加速してけております。

重金属の標的にあてて出します。

本日は、素粒子を応用したラジオグラフィ

レントゲン写真のエックス線はどのようなーという比較的新しい話題の話をさせていた性質を持っているのでしょうか。横軸にエネだきます。ラジオグラフィーという言葉は耳

ルギーを取って縦軸に強度を取り、エネルギ

慣れない言葉と思いますが、この話の中ではースペクトルとして示しますと、図１の形をかなり拡張してラジオグラフィーという言葉していますが、これが人体を通るときに適切を使います。それと申しますのも、私の私見な減り方をします。エネルギーによって減りでは科学には二つ立場があって、一つは観察具合が変わる性質を使って、骨とか、筋肉をで、いま一つは観察して得た色々な知識や法区別できます。これがレントゲンの原理です。

則をベースにして自然に挑んで創造していくことで、観察と創造という立場があると考えています。そのうちの観察、別の言葉で分光とか分析とも言いますが、その科学的な観察を、空間分解性を加えて測ることをラジオグラフィーと名づけたいと思います。イメージングとかトモグラ
フィーと言われる観察手法も含めます。
初めにお断りしておきますが、この分野は世界的にそれほどたくさんの人がやっているわけではなくて、主として私どもが始めたことが中心になります。客観性を持った話を準備することを心がけますが、あまり

図１ 人体のレントゲン写真に使われるタングステン金属にエネルギー80keVの電子を照射して得られるエック
ス線のエネルギースペクトル。脂肪、筋肉、骨に止まることで低いエネルギー成分が消失する。

19

「素粒子ビームによるラジオグラフィー。

ュオンという素粒子を主として扱います。ミ

革新的なレントゲン写真の実現」と表題にいュオンという名前はたぶん半分ぐらいの人はたしましたが、エックス線ではない素粒子ビ

初めて聞くのではないかと思いますが、このームを使って実現する新しいレントゲン写真

講演で親しみを増して頂ければ幸いです。後の話を中心にいたします。素粒子としてはミで詳しく申し上げますが、ラジオグラフィーには透過型と反射型があります。ミュオンという素粒子を使うと、「巨大物質の透過像が宇宙線ミュオンで見える。マクロからミクロまでの反射像が加速器ミュオンで見える」ということで、これまで見えてこなかったものが見えるようになります。
すでに永宮先生からお話がありましたが、物質はクォークとレプトンでできていて、レプトンの中で最も知られているのが電子で、加速器や宇宙線でミュオンというレプトンが得られます。そのミュオンをこれからもっぱら対象にします。
ミュオンとは、1937年に宇宙線の中で発見された素粒子で、現在では加速器を用いて大量に生成されます。プラスとマイナスの電荷のものがあり、質量は陽子の９分の１、あるいは電子の207倍で、寿命は2.2マイクロ秒です。
安定な陽子、電子、ニュートリノを除き、中性子の次に寿命が長い粒子がミュオンです。
私どもは「20世紀は中性子の世紀で21世紀はミュオンの世紀である」と思っていますが、それは主として寿命が長くて使いやすい粒子であるためです。
ミュオンは構造がないまさに素粒子で、電子と同じようにどこまで小さくしても点です。
周囲の原子分子との相互作用は、電磁気的な相互作用が主体です。物質中のミュオンの持
つ性質は非常に分かり易く、電気的な性質だ
けが利くので、正ミュオンを軽い陽子、負ミ
ュオンを重い電子と考えて、理解することができます。
加速器でミュオンを得るには、まず加速器

図２ 10MeV（0.01GeV）から1000GeVまでのエネルギーを持つ電子（e）、陽子（p）、ミュオン（μ）
が鉄、炭素、水中でエネルギーを失い止まるまでの距離；飛程。各エネルギーで粒子が止まりだし透過強度が１/eとなる厚さを示す。

20からの高エネルギー粒子を原子核に衝突させ、湯川中間子とも呼ばれているパイオンを生みます。そのパイオンが26ナノ秒で崩壊してミュオンになります。ミュオンは2.2マイクロ秒たつと死んで電子とニュートリ
ノになります。
さて、ラジオグラフィーをやるのに何がミュオンを特徴づけるかということですが、ミュオンのエ
ネルギーを高くさえすれば大きな物質を透過することができます。
図２は水、炭素、鉄などの代表的な物質の陽子・電子・ミュオンの通りやすさを示しています。横軸はエネルギーで、１GeVは10の９乗電子ボルトという、電池を７億個（長さで地球の半径程度）並べ

10-8

たような非常に高いエネルギーで

10-4

1

104

108

す。縦軸は飛程と呼ばれる量で、粒子のエネルギーが失われて先に進めなくなり、粒子の強度が１/e（e：自然対数＝2.71）に減少する量

図３ ラジオグラフィーに利用できる宇宙線ミュオンと加速器
ミュオンの持つエネルギーと強度の目安。エネルギーに対応する炭素の飛程を示す。

を示します。陽子、電子、とミュオンを比べています。この図から一目瞭然な

J-PARCをはじめとして加速器で得られる

ように、水なら１ｍぐらい、炭素なら30cm

ミュオンはMeVから100MeVの領域で、強度ぐらい、鉄なら10cmぐらいのところでエネは非常に強いけれども、抜ける距離は数

ルギーを上げても陽子や電子は止まってしま

10cm程度までになります。それを超えて長います。電子は軽い質量のため光に変わり、い距離を抜けるレントゲン写真を撮ろうとす

陽子はエネルギーが高くなると核反応して陽ると、いまのところは宇宙線ミュオンという子ではなくなってしまうためです。ところがことになりますが、強度が弱く、時間がかか

ミュオンは、質量が電子の200倍重く、核反ります。

応を起こさないので、エネルギーさえ上げれ

先ほどご紹介がありましたように、J-

ばどんどん透過します。たとえば岩山では

PARCはうまく使うと強い強度でもっと厚い100ｍでも１kmでも行けるし、鉄なら数10メ物体を対象にすることができるので、新しいートルを抜けられるという優れた性質があり

ラジオグラフィーができると期待されます。

ます。

そのことは後で申し上げます。

図３でミュオンがどのようにどれ位のエネ

お手元の資料（図４）にもありますように、

ルギーと強度で得られるかまとめています。

波源であるミュオンを色々なエネルギーにす

横軸にエネルギーを取り、縦軸にミュオンのることによって、火山、溶鉱炉、建造物、人強度を取って「このへんが使える強度だ」と

体・脳、さらにナノ材料にも使えるというこいう領域を青い線で示しています。ミュオンとを、これからお話しします。

のエネルギーが決まると、たとえば炭素の中まず火山から始めます。火山は文字どおり

でどのくらい先に透過するかということが計

分厚くて、山頂近辺では厚さが数百メートル、算で求められ、keVではマイクロｍぐらい、数キロメートルありますので、図３から明ら

MeVではmmぐらい、百GeVでは100ｍぐら

かなように宇宙線ミュオンを使うことになりいになります。

ます。溶鉱炉もだいたい宇宙線を使いますが、21

図４ ミュオンラジオグラフィーのまとめ。ミュオンのエネルギーに対応して対象物の大きさが決まりそれに応じて、宇宙線と加速器とを使い分ける。

これより小型の物は加速器を使うことになり話しします。図５は、宇宙線ミュオンの強度ます。

がミュオンのエネルギーとともにどのように宇宙線ミュオンのエネルギーが高い理由は、変わるかを示すエネルギースペクトルです。

星と星の間に電波があって、その電波に波乗

真上から来るものを天頂角０度と言い、真横りをするかのごとく陽子が加速され高いエネから来るものは90度ですが、天頂角によってルギーとなり、その陽子が大気にぶつかりまスペクトルが変化します。このスペクトラム

す。すぐに核反応を起こして、パイオンが生はパーセントの精度では地表のどこでも同じ

まれて、一部がミュオンに変わります。ミュです。また空から降ってくるので、大気の湿オンには電気的な力とは弱い力しか働かず、度によりますが、パーセントの精度では変化

核力が働かないのでそのまま地表に降ってきは無視できます。

ます。大気圏の上部で生まれたミュオンは、

このエネルギースペクトルを持つ宇宙線がエネルギーが高く高速のため相対性理論によあって、たとえば岩石を通過させると、そのり寿命が延び地表に届くまで殆ど死滅しませ岩石が250mあるか、500mあるか、750mあん。

るか、1,000ｍあるかで、図５のように、減この宇宙線ミュオンは、地上で手の平を広り具合が変わります。まさに図１に示した人

げると、真上から１秒に１個、横にしても体のレントゲン写真の時と同じように変わり

1,000秒に１個程飛来します。これは環境放ます。この減り具合を、後に示す図７のよう射線として、われわれが常に浴びている粒子に、位置を分割させながら見ることによって、

で、時間はかかりますが、ラジオグラフィー

岩石で出来た火山の数百メートルからキロメには、何処でも、何時でも、使えます。

ートルのラジオグラフィー、レントゲン写真

宇宙線のミュオンの性質を、少し詳しくお22が撮れます。

図５ 宇宙線ミュオンのエネルギースペクトルの天頂角依存性（左）と天頂角85度のスペクトルが岩石の厚さの増加に応じて低いエネルギー成分が消失する（右）。

より正確に描いたのが図６です。天頂角をという物理学者が、エジプトのピラミッドの変えると炭素、岩石、みな同じ２g/cm3位の中に隠された墓室を探すために、ピラミッド

密度を持ちますが、透過する宇宙線ミュオンの中にある地下道のど真ん中にカウンターをの強度の変わり方と、鉄（密度7.9g/cm3）のおき、上から降ってくる宇宙線ミュオンを使場合を示します。鉄なのか炭素なのかというった1970年の実験が有名です。

ことの不定性が残りますが、鉄とわかってい私どもはそれに対して、水平すれすれに横るところで見る限りは何割減ったかというこから来る宇宙線ミュオンを使うことに挑戦しとで鉄がどれぐらいあるか、火山だとわかって、実験手法を完成させることができました。

たら火山の岩石がどれぐらい詰まっているか

水平宇宙線ミュオンのラジオグラフィーにはがわかります。

幾つかの利点があります。まず第１に水平宇

宇宙線ミュオンを使って、巨大物質の中を宙線ミュオンは、図５と６から判るように、見るということは、最初に米国のアルヴァレ

透過性が強いという利点があります。それか

図６ 色々な天頂角から飛来する宇宙線ミュオンが、炭素（左）と鉄（右）を透過する
際の強度の変化量の厚さ依存性。

23

図７ 浅間山の宇宙線ミュオンラジオグラフィーの測定の様子と測定結果（左下）。観測には上下左右に10分割された１m四方のプラスチックカウンター２面を使用し、真ん中に鉄板をおきバック
グラウンドを除去している。

ら何よりも優れていることは、対象物の下にった宇宙線がどう減少していくかということトンネルを掘る必要が無く、活動している火でレントゲン写真を撮りました。

山などの対象物をそのままにして観測できる

図７は、４ヶ月間の観測実験データを処理ことです。さらにカウンターを対象物の周囲してコントラストを上げ、ミュオンの透過強にいかようにも配置できるので、トモグラフ

度を山の座標で示しています。強度の高い部

ィック３次元観測が可能になります。

分で浅間山の外形の輪郭が見えています。そ一方、垂直宇宙線ミュオンに比べ水平宇宙の中にハッキリと噴火道が透けて見えていま

線ミュオンは強度が弱く、バックグラウンド

す。2002年の段階では、噴火道中のマグマのが大きいという困難があります。時間がない

占有率はゼロです。即ち航空写真で見えていので省略しますが、私どもはこれらの困難をる噴火道と同じです。噴火中では見えない噴乗り越える実験技術を開発しました。

火道中にマグマが上がってきていないという活火山である浅間山を例をとって、火山のレントゲン写真をご紹介します。浅間山の北結論を出しました。これが2002年の測定結果です。

に浅間園という群馬県の施設があり、そこの

2004年に爆発がありました。この火山研究

駐車場に測定器を置き、図７のように、縦横の最大の協力者であった田中宏幸氏は、現在に10分割された１m四方の測定器を置き浅間

東大地震研で研究を発展させていて、図７の山を透過する宇宙線ミュオンを捕えました。

データに比べて、噴火が終わってみたらマグ測定器が細分化された２枚のプラスチック

マが上がっていて、さらに下部に密度の薄い

カウンターで、それぞれのカウンターの通過部分があり、噴火道の中が空洞になっている

位置をたどって山の何処を通過したかわかりことを発見しました。田中宏幸氏は、名古屋ます。山の通過位置で座標を決めながら、通大学で開発された荷電粒子の原子核写真乾板

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図８ 溶鉱炉の宇宙線ミュオンラジオグラフィーの測定の様子（左）、ミュオン透過強度の溶鉱炉断面についての強度分布（中）及び中央部分の上下密度分布（右）。

を使うことを提案され、安価でコンパクトなした。高炉を完全に円筒対称と仮定すると、測定器系を実現し、良い結果を得ています。

だいたい一月半ぐらい測れば、この壁の厚さ

田中宏幸氏をはじめとして東大地震研、名古の決定精度が±５cmぐらいになります。十

屋大学、北海道大学からなる研究グループが分に実用になります。

作られ、北海道にある有珠山、薩摩硫黄島へと進展していると聞いています。

鉄の中がどうなっているかということも調
べることもできます。薄い部分と濃い部分。

すぐに火山噴火予知に繋がるかどうかはと密度分布が測れます。さらに時系列的に実験もかくとして、いままで無かった新しい知識

データを整理しなおすことにより、運転状況

が宇宙線ミュオンを使って得られつつあるとに応じた密度分布の変化を捕えることができいうことは確実です。宇宙線ミュオンの透過ます。溶鉱炉で一月に1.5日熱風を送るのを像のデータを蓄積させることにより、火山噴止める休風の期間に煮立った鉄が下に移動す

火予知のための貴重なデータベースとなる可る様子が見えました。

能性があります。

これまで宇宙線の話をしてきましたが、加次は溶鉱炉のような大型産業機器のラジオ速器でミュオンをつくり、利用する話に移りグラフィーです。特に宇宙線ミュオンで、稼ます。エネルギーは低いが、強度は宇宙線の働中の高炉のレントゲン写真を撮るというテ

１億倍ぐらいになるので、デリケートなことーマです。実験は図８のように、新日鉄大分がやれます。後に述べるように、放射線遮蔽

第２高炉という世界最大の生産量を誇る稼動体の中に置かれた核燃料棒の中のウランの残中の溶鉱炉で行いました。この溶鉱炉が何年量が瞬時に判ります。

経ったら使用できなくなるのかの目安となる、加速器ミュオンでミュオンをつくってどう

耐熱炭素レンガ炉壁の磨耗状況を見ることをやって使うのか例を図９に示します。これは狙いました。2004年に初めて挑戦し、図８の英国にあるラザフォード・アップルトン研究結果が得られました。透過する宇宙線ミュオ

所の中にあって、J-PARCができるまでは世ンの強度が大きく減った鉄に対応する部分と界最強の陽子シンクロトロンを利用していまあまり減らない炭素炉壁の部分とが区別できす。ここに理化学研究所から実験施設をつくます。炭素炉壁部は密度にして０〜5.3ぐらっていただいて実験研究をいたしました。左いのところに分布しています。炉壁がどれぐ

から陽子ビームがやってきて、宇宙線と同じ

らい減ってくるかを溶鉱炉を運転させながらように、大気の代わりに炭素標的で核反応を測ることが可能であること示すことができま

起こし、パイオンを生んで、それを６mの長25ます。図10に示しますように、対象物の厚さを表に出さずに、ミュオンがどう曲がるかという曲がり角度とエネルギーの失われ方との２次元表示をすると、ウラン、鉛、鉄、みんな違います。したがって元素を識別しながら透過像が撮れます。
専用加速器をつくる必要があるのかもしれませんが、
J-PARCに核燃料棒を持ってきますと、いまの話でわかるように、同じようなエネ
ルギーロスをする鉛とウランを区別できます。数10cm
もの部厚い遮蔽体の中に置かれた燃料棒の中にどれぐ
図９ 加速器ミュオンを生み利用する実験施設の例。理研RALミュオン施設の場合。加速器は図面のずっと左にあり、運ばれた陽子ビームが図面右上のパイオン生成標的に当たりパイオンを生み、そのパイオンからミュオンを生む超伝導ミュオンチャネルと４つの利用実験ポートがある。

らいウランが残っているかを、ウランから発生した残りの元素との間の元素区別をすることによって、数秒で知ることができます（図さの超伝導磁石の中を通し閉じ込めながら飛４の左から３番目を参照）。

行させていくうちにミュオンに変わって、生これから加速器のミュオンを使って、図れたミュオンを振り分けて色々な実験に使用

11の上右に示す反射型ラジオグラフィーとします。この施設は、私どもがこの施設の10いう話をします。反射型というのは色々な意

年ぐらい前にKEKでつくったものをモデル

味がありますが、本当にミュオンが跳ね返っにしています。今度はこれをモデルにして、てくるのではなくて、ミュオンが止まって、J-PARCでさらに大きな施設を建設中です。

止まったところから出す色々な信号を検知しもうすぐビームが出ます（注；本年９月26日

ながら中の様子を眺めるというスタイルの話にファーストビームを発生）。

に変わります。

加速器からの大強度のミュオンビームを用

これまではミュオンが物質を通り抜けるラ

いて色々なラジオグラフィーが可能になりま

ジオグラフィーをお話しましたが、止まるとす。まず、透過する強度に加えて、透過する

一体何が起こるかを図11の下にまとめます。

ときの曲がり具合を測ることにより、元素線

正のミュオンの場合は、金属中では水素原子

別レントゲン写真の瞬時撮影が実現します。

核/陽子のように格子間の位置にそのまま止レントゲン写真は密度の大小のみの白黒写真

まり、半導体とか絶縁体になると電子を１個でしたが、元素線別のカラー写真を撮るには捕まえた水素原子と同じ状態になって止まる

どうしたら良いでしょうか。ミュオンが対象場合があります。この原子はミュオニウムと物を透過する際のエネルギー損失と、曲がりいう名前がついています。一方負のミュオン

具合（散乱）を同時に測ると元素選別ができはすぐに原子核の近くに捕まって、そこで電26

動を始めます。磁場の性質に応じて回転したり揺らいだりします。そのミュオン
スピンの運動を物質の外に置かれた陽電子のカウンタ
ーで観測することができます。このようにしてミュオンを物質に止め、そこから反射的に発生する陽電子の強度の時間変化から、ミュオンの止まった場所の原子レベルの磁場の様子を見ることができます。この観測法はμSR法と言われていますが、特に山崎敏光東大名誉教授が中心となって始められたゼロ磁場μSR法では、
ミュオンスピンが感じる原図10 色々なエネルギーのミュオンが色々な物質を通る際に、物質の厚さに応じて起こすエネルギー損失と、同時に起こす多重散乱の大きさとの関係。物質の厚さは表に出ていない。

子レベルの磁場と陽電子強度の時間変化の間には図13のようなガイドマップがで子の場合と比べ200分の１の原子軌道を取りきています。物質中にミュオンを止め、外にながら、ミュオン原子という原子をつくるこ

出てくる陽電子の時間的な動きを見るだけで、とが知られています。

ミクロな磁気コンパスとしてミュオンを使う

図11のミュオンの止まった状態が出す色々ことができます。

な信号を使って反射型ラジオグラフィーを行

μSR法はミュオンが死んで生まれる陽電うことですが、まず正ミュオンの磁気的プロ子とニュートリノが外に出てくるので、完全ーブ性を議論したいと思います。

に非破壊的で、放射線効果は無視できます。

ミュオンはパイ中間子から生まれる時に、
図12に示すように、素粒子反応の性質から、スピンという磁気的なコマの向きをそろえてさらに磁場をかけなくても、いかなる温度でも使えるという利点があります。
μSR法を他の方法と比べてみましょう。

生まれます。そろえて生まれたミュオンスピ

先ほどお話しがあった中性子散乱とかシンク

ンは、物質に止まってもそろい具合が変わりロトロン放射光を使って物質を探求する方法ません。そのうえで寿命がきて陽電子を出し

では物質での散乱を見ますが、μSR法ではますが、陽電子は必ずスピンの方向に非対称

磁気コンパスを物質中に置いて周囲の原子かに出ます。陽電子のエネルギーが50MeVとらの磁場を観測しているところが違います。

大きいので、１cmから10cmの物質を抜けてそういう意味では、NMRとかメスバウワー

出てきます。かくしてミュオンを物質に止め効果とか物質中の原子核を観測手段とする方

ると、そこから反射的に出てくる陽電子がミ法とよく似ています。ただし置かれる場所がュオンのスピンの向きを教えてくれます。

違う他、感度その他に相当違いがあります。

ミュオンが止まった原子レベルの場所に
色々な磁場がかかると、ミュオンスピンが運

色々な実験手法は常に相補的であって、色々な知見を互いに共有しながらの物質の本
27

ラフィーができるという点にあります。
最初の例として、図14を使って鉄筋コンクリートの内部を調べることをお話します。大型建造物、特に鉄筋コンクリートの腐食が問題になっていますが、実際に鉄が腐食して、あるいは膨らんでいるか、反射型ミュオ
ンラジオグラフィーで測れます。
加速器で得られるミュオンのエ
ネルギー/速度を変えながらミュオンビームを導いていくと、ミュオンの深さ方向の止まる位置を変えることができます。ビームや対象物を上下左右に動かすことにより、上下左右方向にミュオンの止まる位置を変えることができます。コンクリートにミュオンが止まると、ミュオ
ンスピンはじっとしたままです。
ところが鉄に止まると、鉄の磁図11 ラジオグラフィーの二つの方法；透過法と反射法（上）。
ミュオンから反射型信号を得るためにミュオンを物質中にとめた時にミュオンがとる状態；反磁性正ミュオン、
ミュオニウム及び負ミュオン原子（下）。

性を感じてクルクル回り始めます。腐食の度合に応じて鉄の磁性が変わり、ミュオンスピンの回転の様子が変わります。かくして、コンクリートのかぶり厚という10〜20cmぐらいの中にある鉄棒の腐食具合を見ることができます。
加速器施設に持ってくる試料をベースに基礎データを積み上げ、あとは小型加速器でミュオ

図12 正パイオン崩壊で正ミュオンが生まれる際にミュオンがス
ピンをそろえて生まれる様子（左）。止まった正ミュオンが崩壊する際に陽電子が空間的に非対称に放出される（右）。

ンをつくって建造物現場に持っていくことになります。
対象がだんだん小さくなってきましたが、次は人体です。μ

質を探っていくことが大切です。ラジオグラ

SR法ラジオグラフィーで人体の、特に脳のフィー以外でも、μSR法による研究は色々

イメージングを実現し、最終的には脳機能になことに使われています。私がラジオグラフ

ついて、他の方法ではできないことを、素粒ィーでμSR法を取り上げたのは、物質の原子ミュオンでやろうというのが最終目標です。

子レベルの磁性を足場にして新しいラジオグ

μSR法では、放射線効果は極めて少なく、28

ります。図15のようにヘモグ
ロビンには４個のヘム鉄があって、そのヘム鉄の周りに色々な分子の鎖がつながっていますが、血液中のヘモグロ
ビンは肺で酸素を受け取り、オキシという状態になり、筋肉や脳の活動に応じて酸素を吐き出しデオキシという状態になります。そのときに酸素のつながっている状態、酸素がない状態の二つで磁気的な性質が違います。デオキシは磁性を持っていますが、オキ
シは磁性がなくなります。
MRIで脳の機能を測っているのは、この磁性の違いをベースにしています。
図13 物質中でミュオンが感じる原子レベルの磁場の状態でミュオ
ンスピンが運動する様子の例。静的な一様な場がある場合（上）、静的な一様な場に乱れた場が加わった場合（下）。

ミュオンをヘモグロビンの中で止めたらどうなるでしょうか。先ず正ミュオンの止まる場所ですが、ヘモグロビン
は鉄だけが正の電荷を持っていて、その周りにちょっと負になった部分があって、そこに向かってミュオンが止まります。μSR法の結果は図15に示すように、縦軸にミュオンのスピンのそろい具合/偏極をとり、横軸に時間をとり、時間とともにどのぐらいそろい具合が乱れるかということが測定されています。デオキシでは非常に早くそろい具合が乱れる部分があり、その後変化しません。オキシのほうは

図14 鉄筋コンクリート中にミュオンを止め、ミュエスアール信号
で反射型ラジオグラフィーを観測する概念図。

始めにちょっと減って、その後ゆっくりと変化します。ここに外から磁場をかけるとス

普通のレントゲン写真の10分の１以下です。

ピンのそろい具合/偏極が回復してきますが、まず最近私どもの行ったμSR法の結果か

その回復の仕方もデオキシとオキシでは違いら入ります。血液の中にはヘモグロビンがあます。
29

図15 ヘモグロビンの分子構造とデオキシとオキシのヘム鉄イオンの状態（左）。オキシとデオキ
シヘモグロビンのミュエスアール測定結果；
常温ゼロ磁場でのスピン緩和時間スペクトル（左上）外部磁場によるスピン偏極の回復（左下）。

図16 ミュオンを人体の頭脳に止め、ミュエ
スアール信号から、脳内の血流の磁化を観測している概念図（左）。ミュオンの止まる位置での血管の大きさと血液中のヘモグロビンのオキシ度に応じてミュエスアール信号が変化する様子
（右）
。

30

すぐにスピンが乱れ、磁場をかけて回復し通常の半導体であるシリコン、ゲルマニウ

にくいという性質は、デオキシが磁性を持っム、グラファイトでは注入された伝導電子のていてオキシは磁性を持っていないというこ

スピンの状態は観測しにくく、研究はガリウとに対応しています。一方、磁性がないオキ

ムヒ素をもっぱら対象にしています。ガリウ

シで何故ミュオンスピンのそろい具合がゆっ

ムヒ素の場合は、どちらに向いているかとい

くり乱れるのでしょうか。ミュオンのエネル

うことが格子のひずみに影響を与えることがギーがエネルギーを失ってヘム鉄の近くに止わかっていますので、格子のひずみを測るこ

まりますが、止まる際にオキシヘモグロビンとによってどちらを向いているかがわかるかの磁性を持つ分子状態を励起するためである

らです。もしミュオンをスピントロニクス物と理解されます。

質中に止めると、ミュオニウムができて、そ

図16では、人体の脳に向かってミュオンの電子と注入されたスピンがそろった電子とを止めることを考えています。ミュオンビー

の間でスピンを交換する反応が起こります。

ムのエネルギーと方向をコントロールしなが伝導電子がどう偏極しているかということは、ら、mmの精度で脳の中にミュオンを止めμシリコン、ゲルマニウム、グラファイトなど

SR法を適用します。J-PARCなら脳の10cmと、何でもできます。

以上の深さの１mm以内のオキシ、デオキシ

このミュオンによる電子スピン偏極観測法

を数秒で測れます。磁場は一切不要で、オキを、伝導電子のスピンのそろい具合のわかっ

シヘモグロビンの励起状態もモニターします。

ているガリウムヒ素についてやらなければい「ミュオン観測領域」は、３次元的に決めた

けないということで、方法の検証実験をいたミュオンの止まる場所で、その大きさが血管しました。縦軸にミュオンスピンのそろい具の太さと同じぐらいなのか、それとも血管が合/偏極度を取り横軸に時間を取り、図17に収縮しているのかという収縮具合と、オキシ

結果を表現します。絶対温度15度にガリウムの成分度をより分けて測ることができます。

ヒ素を冷やして、レーザーでガリウムヒ素のこの性質はたぶんMRIにはないので、いつの中によくわかっているスピンのそろった伝導

日か、素粒子が人間の脳のわからない機能を電子をつくります。そこにスピンのそろう方見るという時代が来ると思われます。

向を平行にした場合と反平行にした場合とのさらに進んで、ナノ材料のイメージングを違いをみます。素粒子ミュオンが半導体中の考えたいと思います。スピントロニクスに使

伝導電子スピンのそろい具合を定量的にきちわれる材料を考えます。普通の携帯電話は電気量のオン・オフで情報を伝達しますが、スピンのそろった電子があると、電気的な信号以外にスピンがどっちを向いているかという信号を導入し、情報が倍以上増えることになり、情報産業に革命をもたらすだろうということでスピントロニク
スという言葉が生まれ、そのための物質開発、スピン偏極
電子の注入法の開発が盛んに研究されています。

図17 ガリウム砒素中にレーザーによって注入されたスピンがそろった伝導電子によりミュオンスピンの偏極が変化する様子、
外場零の場合；平行の場合（緑）と反平行の場合（青）。レ
ーザーは0.7マイクロ秒に印加されている。

31

す。唯一の可能性は、高エネル
ギーニュートリノを使うことです。ニュートリノはエネルギーの増加とともに地中で止まるよ
うになり、1,000GeV（１Tev）
では109m、その100倍で地球の直径位になります。従って何処かに超高エネルギー加速器があって、地下にねらいをつけてニュートリノを発すれば、地層のラジオグラフィーが出来るはずです。
関連する理論研究の論文（DeRujula-Glashow-WilsonCharpack, Physics Reports, 99
図18 地中を通るニュートリノによってミュオンが生まれる様子（上）。活断層があった場合にニュートリノ反応で発生する
高エネルギーミュオンで感知している概念図（下）。

（1983）341）があります。1020TeVという大きなエネルギーの陽子の大強度加速器をつくって、ニュートリノをつくり利用んととらえることに成功しました。実験には、することが論じられています。透過性の良い提案者である鳥養映子山梨大学教授の他、カニュートリノを地球の中を通して、この論文

ルフォルニア大学−KEK−理研−RALの研では地殻構造ではなくて、地殻の中にある鉱究者が参加しました。ミュオンの止まる場所

石とかオイルを探すということを考察していをナノmのスケールでコントロールすることます。観測方法として色々なことが提案されで、伝導電子スピン偏極のラジオグラフィーていますが、高いエネルギーニュートリノをが実現します。

送って、地中で反応させミュオンに変えて測

ここまで素粒子ミュオンによるラジオグラ
フィーで、火山、溶鉱炉、核燃料棒、人体、りやすくして、ニュートリノで地球の中の様子を測ることが示されています。

ナノ材料の中を調べることをお話ししてまい

図18のように、高エネルギーニュートリ

りましたが、私には常に「お前はこれでいい

ノが地中にやってくると、二通りの反応をしのか」という天の声が聞こえてきます。それます。一つは、原子核と反応してミュオンがは何かというと、「素粒子や加速器やすごい出るもので、出るミュオンのエネルギーが低ことをやっているのだから、地震予知までなくニュートリノが来て反応が起こったという

ぜやらないのか」ということです。加速器やことは土の厚さで数mから数10m程度です。

素粒子で地震予知に何かをすることは、避け

一方、ニュートリノ電子反応というものがあては通れない問題です。

り、ニュートリノが土の中の電子にぶつかっ

地震予知の新しいデータベースとして、地て高エネルギーのミュオンになり、数100m

殻の時間変動、特に地下活断層の動きを捕え通過します。これらの反応はニュートリノがることが重要であると思われます。そのため通っている間しょっちゅう起こっているので、に素粒子や加速器で何ができるでしょうか。

どこを通っても、頻度は非常にわずかですが、数kmから数10kmの距離のスケールで地下のハドロンシャワーができている部分と、真っ様子を探るには、宇宙線ミュオンでは駄目で直ぐミュオンが出る部分ができています。

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図19 ミュオン触媒核融合の原理；負ミュオンが二つの原子核を引き寄せ小さな分子を作り核融合反応を起こす原理図と熱核融合との比較（左）と一つのミュオンが連鎖的に100回以上の核融合反応を起こす様子。

もし高エネルギーニュートリノの通り道にあるのが判るはずです。それが始まりで、将活断層があって、数100m先の位置に高エネ

来さらに高エネルギー・大強度の加速器をつ

ルギーミュオンの検出器があったとすると、くる計画に進む手始めになるのではないかと

活断層は普通の土壌に比べると密度が数割低思います。

いと言われているので、ニュートリノの反応

21世紀の間に何とか地震を天気予報のようが減り、高エネルギーのミュオンの強度の減に予知できることを可能にするためには、衰が起こります。数100ｍ先の地下の活断層

色々な人が色々なことを考えて、色々なものが見えるわけです。見えたらそれの時間的なを登場させなければいけません。この方法は変動を追うことによって、地震予知に繋がる

その一つになるかもしれません。

地下活断層の活動状況を知ることができるのではないでしょうか。

最期に、ラジオグラフィー以外の素粒子の利用ということも考えて見ましょう。最初にこの考えの真偽をテストすることができま述べたように、科学には観察と創造という立す。先ほどお話のあったJ-PARCのニュート場があって、観察の一つがラジオグラフィー

リノ振動実験には、東海からのニュートリノ

で、素粒子が実現する新しいことをこれまでビームの内、やや低いエネルギー成分がスーお話ししました。

パーカミオカンデと将来のハイパーカミオカ

一方自然現象に参画し、暮らしに役立てる

ンデに行き、ニュートリノビームの強い部分

創造ということも、サイエンスの重要な立場

が、両方の中間点を通るように計画されていの一つです。その代表的なものは原子力エネます。その中間点に跡津川断層があります。

ルギーの生産です。素粒子ミュオンはまずは

跡津川断層の地下観測所の何処かにミュオン

こちらの方向で注目されて、私自身もいまま

検出器を置き、東海からのニュートリノビー

での研究生活の半分ぐらいはこれにかけてきムを眺めてますと、エネルギーが低く時間がました。21世紀のエネルギー問題を解決する

かかりますが、１年ぐらいかけると活断層が原子力エネルギーとして核融合に期待がかか33

っています。素粒子ミュオンが核融合を起こ

地震予知に関連する地下の地殻・地層のこと

し、エネルギーを生むことができることをごはそうで、数メートルから先は何もわからな

く簡単に紹介しましょう。

いと考えるべきでしょう。とにかく素粒子をミュオン核融合はすでに実現していて、ブレークイーブンにあと一息です。図19に示使った新しい探索方法をどんどん進めるべきではないかと思います。

すように、原理は非常に簡単です。重い電子

一つ進むと二つぐらい先が見えてくるといである負ミュオンを、核融合を起こさせる重うことがありますので、日本の地で世界をリ

水素や３重水素の原子核に近づけますとクーードするJ-PARC加速器が稼動することは、

ロン反発力がなくなって、二つの原子核を引

喜ばしい限りです。素粒子を主体にするラジ

き寄せ小さい分子をつくり、すぐに核融合を

オグラフィーという例で示しますように、わ起こします。それに対して熱核融合は、正のれわれの生活をさらに豊かにしてくれるよう電荷がある二つの原子核の反発力を越えて近な研究の発展が今後期待できます。

づけるために、１億度もの高温にして熱エネ
ルギーで近づける確率を増やします。
核融合を起こした後、ミュオンはまた自由になって、自由になった後にまた核融合を起
こし、繰り返しエネルギーを生みます。ミュオンの2.2マイクロの寿命の間にたくさん核融合を起こさせる必要があります。一つのミ
ュオンが150回以上の触媒反応を起こすことが実験でわかっています。300回ぐらいを超すとミュオンを創るに必要なエネルギーより、ミュオンが核融合で生むエネルギーが大きくなり、ブレークイーブンとなります。
私どものグループを中心として研究が進展していて、重水素の分子状態をコントロール
して、常温近くで高圧の３重水素との混合系をつくれば、ミュオン１個あたり1,000回ぐ
らいの核融合を起こすことが期待できます。
一方、今知られている実験事実を足場にするだけでも、ミュオン核融合を強力な中性子源と考えて、加速器を使って軽水炉核燃料を増殖させるADSと呼ばれる計画の中に複合する形で組み込むことにより、ADSの生産効率を飛躍的に向上させることも可能です。
ミュオンをはじめとして、加速器や宇宙線で得られる素粒子ビームが地球規模からナノ
スケールまで、物質の内部探索に有用である
ことは間違いありません。ここにお話したこ
れまでの成果はほんの一端で、素粒子ラジオ
グラフィーはますます発展すべきです。私は常に「一寸先は闇」だと思っています。特に34

ご清聴を感謝いたします。