沿光源加速器（t-ACTS）

加速器・ビーム物理研究を行なうために建設した小型の電子線形加速器です。加速器ベースのテラヘルツ光源開発などが行なわれています。最大エネルギー：50MeV

革1966年
1966
年 東北大学理学部附属原子核理学研究施設
東北大学理学部附属原子核理学研究施設 発足
発足
東北大学の原子核関連分野の学内共同利用施設として設置される東北大学の原子核関連分野の学内共同利用施設として設置

History

1967
年 300
300MeV1967年
MeV 電子ライナックの完成。パルス電子線による原子核、放射化学等の実験開始
電子ライナックの完成、パルス電子線による原子核・放射化学などの実験開始
原子核における新しい巨大共鳴状態（四重極巨大共鳴）の発見
世界初のパルス中性子回折実験実施
1971
年 パルス中性子源標的室（NDトーチカ）及び中性子回折ビームライン
パルス中性子源の完成。中性子回折実験開始
1971年
9 本完成
1982年 世界最初の150
MeVパルス・ストレッチャー完成、連続電子線による原子核実験開始
1982年
世界最初のパルス・ストレッチャーリング完成、 連続電子線による原子核実験開始
1988年
1988 年
1997年
1997 年
2002年

大強度電子線形加速器

2009年2006年

は、可視光線の波長よりずっと短く、原子の大きさ程度（0.1 ナノメートル〜 10-10 m）です。

子加速器」です。

GeVガンマ照射室に電磁カロリメータ
FORESTが完成
第二実験室に磁気スペクトロメータ NKS2が完成(東北大原子核物理研究室)
電子原子（〜 10-10 ｍ）

第３実験室

核子の複合体原子核（〜 10-14 ｍ）

中性子

陽子
クォーク

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クォークの複合体⮳┒ᒸ

核子（〜 10-15 ｍ）
中性子

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RTAGX
RTAGX

t-ACTSt-ACTS

FOREST
FOREST㞵ᐑ

大強度電子線形加速器
大強度電子線形加速器

入射用電子線形加速器
入射用電子線形加速器
本体室

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ブースター・ストレージリングに電子ビームを入射するために建設された電子線形加速器です。最大エネルギー : 100MeV

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リング入射用電子線形加速器

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クで構成されています。これらはそれぞれバリオンとメソンとも呼ばれます。

中間子

陽子

利用実験を可能にするため、最先端の加速器科学・ビーム物理の研究を進めています。2015 年 4 月より凝縮系核-5௝ྎ㥐࠿ࡽࠉࢱࢡࢩ࣮࡛ࠉ⣙ศࠉࠉࣂࢫࠉ೵␃ᡤྡ
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反応に関する共同研究部門が設置されました。

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〒982-0826 仙台市太白区三神峯１丁目２番１号
TEL：022-743-3400 FAX：022-743-3402
電子光理学研究センター 電 子メール： koho@lns.tohoku.ac.jp
ホームページ：https://www.LNS.tohoku.ac.jp

東北大学

核子は 3 個のクォークから、中間子はクォークと反クォー電子線あるいは光子ビームを作り、共同利用の実験者に提供するとともに、原子核内のクォーク・ハドロンから、⮳ᐩἑMemberMember௝ྎ✵࢔ࢡࢭࢫ⥺㐨㊰ᒣ⏣㹇㹁

ハドロンはさらに基本構成子「クォーク」からできていて、物質科学までの広い範囲を対象とした「物質の構造と性質」の研究を推進しています。また、より高度なビーム௝ྎᮾ㒊㐨㊰㔝ⲡᅬ㸩ドロン」と呼ばれ、その大きさは原子核の 10 分の 1 程度です。

電子光理学研究センターでは、電子線形加速器と電子シンクロトロン加速器を使って最大エネルギー 1.3GeV の*6すከ㈡Ṍ㐨ᶫඵᮌᒣື≀බᅬ㉥༑Ꮠ⑓㝔

核子間の繋ぎ手が中間子です。核子と中間子は総称して「ハࠕすከ㈡୍୎┠すࠖ&223す௝ྎ⮳௝ྎࠉᕷෆ

ます。

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称して核子と呼びます）から構成され、核子同士は重力の1039 倍も強い「核力」と呼ばれる強力な力で結びついていAccess（非密封RI利用施設）

物質の基本である原子は、大きさがおよそ 10-14ｍの原子核と電子からできています。原子核は陽子と中性子（総原子核アクセス（電子線照射設備）（電子線照射設備）

光源加速器棟そこで、原子の世界を覗こうとすると、電子顕微鏡などが用いられます。電子顕微鏡に使われる電子線の「波長」には GeV（１０億電子ボルト）領域のエネルギーが必要です。このような高いエネルギーの電子線を作る装置が「電2020年 9月
低エネルギー電子散乱実験ビームライン（ULQ2）運用開始
2014年
研究棟を改修・増築、三神峯ホール竣工

ULQ2

光子ビームることはできません。

2013年
東日本大震災から復旧し、共同利用再開
2015年 4月
凝縮系核反応共同研究部門を設置

第１実験室
第１実験室

BSTリング
BSTリング

視光線の波長程度（数百ナノメートル〜 10-7 m）までで、それよりずっと小さい原子の世界を光学顕微鏡でとらえ電子の「波長」は、その電子のエネルギーが大きいほど短くなります。電子線を用いて原子核の内部を調べるため

2011年 共同利用・共同研究拠点（電子光理学研究拠点）活動開始
2010年 光源加速器棟竣工
2013年 東日本大震災から復旧、共同利用再開
2011年 全国共同利用・共同研究拠点（電子光理学研究拠点）運営開始
2014年 研究棟を改修・増築、三神峯ホール竣工
第２実験室

私たちは物質の細かい構造を見るとき、虫眼鏡や顕微鏡を使います。光学顕微鏡で見ることができる対象は可

さらに小さい原子核の構造を探るためには、電子の「波長」が、原子核の大きさよりも短くなければなりません。

原子核理学研究施設を改組、東北大学電子光理学研究センター 発足
2009年 GeV ガンマ照射室に電磁カロリメータ FOREST が完成
2010年 原子核理学研究施設を改組し、東北大学電子光理学研究センター
光源加速器（t-ACTS）棟竣工
発足

電子光理学研究センター実験室配置図
電子光理学研究センター実験室配置図

NKS2NKS2Accelerator and Beam Physics
Quark Nuclear Physics
Radioactive-Isotope Science
Condensed Matter Nuclear Reaction

2002年
GeV ガンマ実験棟竣工、GeV ガンマ照射室でのハドロン実験の開始
2006年 第二実験室に磁気スペクトロメータNKS2 が完成 (東北大原子核物理研究室)

1967 年に建設された大強度電子加速器です。最大エネルギー：70 MeV、ビーム繰り返し：300Hz、ビームパワー：5kW 以上、放射性同位元素（RI）の製造などに利用されています。

光子ビーム

世界で初めてコヒーレント放射光を観測
世界で初めてコヒーレント放射光を観測
1.2 GeV ストレッチャー・ブースターリング完成
1.2GeV ストレッチャー・ブースターリング完成
GeVガンマ実験棟竣工、GeVガンマ照射室でのハドロン実験開始

ELPH

電子加速器で見る 原子核の世界

東北大学電子光理学研究センター
Research Center for Electron Photon Science, Tohoku University

発行 20212016 年11 月
年３月
表紙写真 志鎌康平 ( アカオニ )加速器・ビーム物理研究部
教授
濱 広幸
准教授
柏木 茂
准教授
日出 富士雄
准教授
三浦 禎雄
助教
武藤 俊哉

光量子反応研究部
教授
須田准教授
菊永
准教授
前田助教
池田助教
本多研究教授
玉江

凝縮系核反応共同研究部門
特任教授
岩村 康弘
客員准教授 伊藤 岳彦
研究教授
笠木 治郎太技術開発室室長 南部長澤
鹿又健一
育郎
健

核物理研究部
教授
大西准教授
村松助教
石川助教
宮部助教
時安助教
佐田研究教授 清水利美
英寿
幸重
隼人佑記
忠明

髙橋柴田健
晃太朗

宏明
憲仁
貴嗣
学
敦史
優太
肇

加速器・ビーム物理

Accelerator and Beam Physics

加速器中でのビームの振る舞い（ビーム動力学）、荷電粒子からの光の放射などに関する研究を行なっています。共同利用に供されている大強度電子線形加速器や 1.3GeV 電子シンクロトロン（BST リング）のビームの高度化に関する研究のほかに、2013 年に加速器科学やビーム物理の研究を推進するために試験加速器 (t-ACTS:
test Accelerator as Coherent Terahertz Source ) を新設しました。

Nuclear Physics

原子核物理学

Quark Nuclear Physics

Exotic Nuclear
Nuclear Physics
Physics
Exotic物質の最小単位であるクォークは単独で存在することができず、陽子や中性子、中間子などの複合粒子状態「ハド多重ガンマ線検出器群 “FOREST”

ロン」を形成します。通常は３個または２個のクォークで・BST リングを用いたビームダイナミクスの研究構成されますが、最近の研究では５クォーク粒子やハドロ・極短電子ビームを使ったコヒーレント・テラヘルツ光源の開発研究

ン分子状態を示唆する実験結果が得られています。

・チェレンコフ光を用いた新奇ビーム診断装置の開発

極短電子ビームによるコヒーレント・テラヘルツ放射発生構造が詳細に調べられてきましたが、最近、電子とミュー粒子による陽子半径測定結結
近年、素粒子の標準理論では同じ仲間と考えられている電子果に深刻な不一致があることが明らかになり「陽子半径問題」と呼ばれる事態になっっとミュー粒子を通じたそれぞれの陽子半径測定結果が一致し電子ビームは速度集群法という手法により、100 フェムト電子光理学研究センターでは、これらのエキゾティック秒）以下にまで圧縮されます。圧縮されたビームの（新奇な）粒子やハドロン励起状態の研究を通して、ハドロ時間幅は、当センターの原子核実験に用いられている電子ビーンの内部構造や性質を解明しようとしています。また、誕

ムの数 100 分の 1 の長さしかありません。このような極めて生後間もない頃の宇宙密度に匹敵する原子核内部でハドロ短い電子ビームを作るために、私たちは独自に熱陰極高周波ンを生成し、その質量が軽くなる現象を探索しており、質秒（10-13電子銃を開発しました。この電子銃を使うことによって、電第一空洞

私達は、高エネルギー光子ビームを陽子や原子核などの標くビームを圧縮することができます。また、カソードに直径的に照射してこれらのハドロンを「光生成」する実験を推

3mm の単結晶 CeB6 ( 六ホウ化セリウム ) を使用しており、進しており、電子光理学研究センターの 1.3 GeV 電子シン低エミッタンス電子ビームを作り出すことが可能です。

クロトロンで稼働している GeV ガンマ線ビームラインに多電子ビームの長さが放射する光の波長よりも短くなると、重ガンマ線検出器群 “FOREST” を設置しています。また、非常に強いコヒーレント放射を得ることができます。これま

兵庫県にある大型放射光施設 SPring-8 の新ビームライン

でに私たちは、約 100 フェムト秒まで圧縮した電子ビームを手前左側の高周波電子銃で生成された電子ビームは手前右側のピンク色のα電磁石で偏向され、3m 長の加速管で最大 50MeV まで加速されます。この小型電子線形加速器を使い、さまざまな加速器・ビーム物理研究が行なわれています。

強力な永久磁石で構成されるアンジュレータに入射することによって、大強度のコヒーレントアンジュレータ放射の発生に成功しました。将来的には、コヒーレント放射の可干渉性

よって、電子ビームの縦方向位相空間分布（時間とエネルギーの 2 次元空間分布）を 1 ショットで測定できるシステムの開発を行なっています。

Strengeness Production Mechanism

電磁スペクトロメータを用いた光 - 核子反応によるハドロン物理の展開

クォークから構成されてる粒子はハドロンと呼ばれていセンターの加速器の特色を生かし、以下の新たな研究の準ます。我々の通常の世界はアップ (u) とダウン (d) と呼ばれ備も行っています。

るクォークから出来ていますが、クォークは全部で６種類あります。NKS2 実験グループでは、その中でもストレンジ・終状態相互作用を利用した、重水素標的とγ線の反応によるΛ- 中性子間力測定(s)・クォークを含むハドロンに注目して研究を進めてきま・二重デルタ粒子の励起状態の探索した。

・3ΛH（ハイパー・トライトン）の寿命測定

特にγ線 ( 光子 ) と中性子の反応による中性 K 中間子とΛl lineFoca

理学研究センターが建設した大型電子スペクトロメータ
壁を打ち破るSCRIT 法という実験技術を発明し世界初のエキ子散乱という「電子顕微鏡」を使って、短寿命なエキゾチッ

大型電子スペクトロメータ “WiSES”

ク原子核内部の不思議な世界を解き明かしています。

大型電子スペクトロメータ “WiSES”

LFC-Camera: Linear focal Cherenkov ring camera
特殊ミラー（亀の甲羅鏡）を使い電子ビームのエネルギー情報を位置情報に変換し、集光したチェレンコフ光をストリークカメラで計測することにより縦方向位相空間分布を測定します。

刻を決定する、実光子標識化装置を備えています。
ストレンジネス生成過程の研究に加え、電子光理学研究れ、原子核壊変特性の研究を中心に、RI を利用した分析法の開発、物質科学研究など種々の目的で利用されています。また、光核反応収率測定や光量子放射化分析、無担体RI 製造法などの研究も行われています。

RI 供給拠点活動号（放射線）を放出して崩壊する RI は、極微量の物質をでは残った電子を磁場で取り除いた光量子で照射できます。熱などにより分解されやすい試料の照射に適した装置です。

非密封 RI 利用施設用まで極めて広い範囲で用いられています。当センターでは光核反応の特長を活かして、サイクロトロンや原子炉では製造困難な RI を提供しています。近年では他機関の加速器施設と連携して短寿命 RI を中心とした RI 供給プラットフォーム事業を行っており、当センターで製造されたRI は全国の研究者に利用されています。

Condensed Matter Nuclear Reaction

センターには非密封 RI 約 370 核種の取扱が可能な実験室が設置されています。（左図）試料調製を行う化学実験室、（右図）原子核半減期を測定している装置

凝縮系中での超低エネルギー核反応原子核反応を起こすには、原子核を高エネルギーに加速することが必須です。ところが、1989 年に、英国と米国の電気化学の研究者が、Pd 電極を用いた重水の電気分解により異常な発熱現象を見出し、Pd 電極中で D+D 核融合が生じている可能性を提起しました（いわゆる「常温核融合」）。
・「凝縮系核反応 (CMNR)」の学術的基盤データの増強と機構解明
・ 将来のクリーンエネルギー技術としての可能性追求
・ 革新的放射性廃棄物処理技術に向けた基礎研究
常温で核反応が生じることは、従来の核物理学の常識から大きく逸脱しています。しかしながら一方では、凝縮系が超低エネルギー核反応にどんな影響を及ぼしているのかよるものであれば、原子核反応の概念に大変革をもたらします。また、「凝縮系核反応」は、社会的にもクリーンな電子光理学研究センターが理化学研究所 RI ビームファクトリーに設置した大型電子スペクトロメータ“WiSES: Window‒frame Spectrometer for Electron Scattering”

できます。この装置は高放射能 RI の製造に適しています。また B 部

物理・化学・生物・工学・農学・医薬学などの基礎から応が展開されてきました。観測された現象が未知の核反応に第二実験室内に設置された NKS2 実験装置 ( 左上 ) 。電磁石内部には標的とドリフト・チェンバーが設置されており、その周りを飛行時間測定装置が囲んでいます。右下に見えるのはメンテナンスの為に移動させた飛行時間測定装置の一部です。

A 部では石英管に封入した試料を水冷しつつ、高強度の光量子で照射極めて高い感度で検出することが可能です。研究用 RI は

素ガスの Pd 薄膜透過に伴う核変換現象等を中心に、研究放射で実光子ビームを生成し、光子のエネルギーと生成時1320 本の BGO 結晶を卵型に組んでおり、世界最高レベルのエネルギー分解能を発揮しながら SPring-8 で稼働しています。1 cm3 当たり約１億トンという超高密度である原子核内部でエータプライム (ηʼ ) 中間子を生成し、その質量減少の信号を捉えようとしています。

得られた RI は必要に応じて放射化学的手法により精製さPd ナノ粒子の重水素ガス吸蔵での異常な発熱現象、重水構成されています。BST リング内を周回する電子から制動観測されたチェレンコフリング

電流モニタ−とで、様々な種類の放射性同位元素（RI）を製造しています。

属中での低エネルギー核反応、Pd 電極の重水電気分解・為の飛行時間検出器、液体水素・重水素標的システムからシリカエアロゲルに転換してターゲット物質に照射し、光核反応を起こすこは、十分に調べられていません。これまで世界各国で、金リフト･チェンバーと呼ばれる飛跡検出器、粒子識別を行う縦方向位相空間分布エネルギー軸専用電子散乱施設を理化学研究所に建設しました。電子光めに不安定核の研究は不可能とされてきました。私達はこのNKS2 は、荷電粒子の運動量を測定するための電磁石とドTurtle-back mirror

x電子ビーム

短寿命で崩壊してしまうため天然には存在しない不安定なが次々と発見されています。これらの構造解明が宇宙でのエキゾチック原子核の研究により、従来の原子核構造の常識物質進化（元素合成）の理解に不可欠であることから世界を破る新奇な構造が次々と発見されています。これらの構造各地で鎬を削る研究が進んでいます。
解明が、原子核物理学だけでなく宇宙での物質進化（元素合今まで、電子散乱による短寿命エキゾチック核研究は不成）の理解に不可欠であることから、世界各地で鎬を削る研
可 能 と 考 え ら れ て き ま し た。私 達 は こ の 壁 を 打 ち 破 る究が進んでいます。
SCRIT法という実験技術を発明し世界初のエキゾチック核
電子散乱は原子核構造研究の王道ですが、その困難さのたNKS2 を製作し実験を行ってきました。

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天然には存在しない短寿命で崩壊してしまう不安定なエ

短寿命なエキゾチック原子核の研究
キゾチック原子核の研究で、従来の常識を破る新奇な構造進めています。
Scattering” による電子散乱実験が始まりました。私達は電功を受け、より精度良く測定領域も広い、新たな測定装置

チェレンコフ放射

短寿命なエキゾチック原子核の研究

ゾチック核専用電子散乱施設を理化学研究所に建設し研究を“WiSES: Window‒frame Spectrometer for Electron

粒子の生成は、反応の前後に電荷を持たないという特徴を我々東北大グループが世界で最初に測定しました。この成時間軸を通過する時に発生するチェレンコフ光を計測することに最も信頼度の高い陽子半径の決定が期待できます。の粒子に崩壊します。このことが測定を難しくしており、
Turtle-back mirror

空間分布（大きさや時間幅）やエネルギーなどの情報をもっムの特性を測定します。現在、電子ビームが薄いエアロゲルの光子ビームを使った相補的な実験を進めています。

LFC カメラ概念図

電子ビームから放射される光は、電子ビーム自身の 3 次元光などの時間幅や空間分布を計測することによって、電子ビー電磁カロリメータ“BGOegg”を移設し、さらに高いエネルギーた研究が行われていますが、私達は当センターの60 MeV 電ているとの指摘もあります。私達は「陽子半径問題」の原因解明のため、最も信頼度度子加速器を利用した史上最低エネルギー（Ee = 20 - 60 MeV）
究の高い陽子半径決定が可能な極低運動量移行領域での電子散乱実験を電子光理学研究での電子・陽子弾性散乱実験でこの問題に取り組んでいますセンターの大強度電子線形加速器で行います。
第一実験室の ULQ2 ビームラインと散乱電子スペクトロメータ（ULQ 2 ：Ultra-Low Q2）。本研究により、電子散乱としては持ち、これらの粒子は生成後、数十から数百ピコ秒後に他チェレンコフ光を用いたビーム診断ています。このことを利用して、遷移放射光やチェレンコフLEPS2 にも、電子光理学研究センターで製作した高分解能高分解能電磁カロリメータ “BGOegg”を利用したテラヘルツ光の偏光状態を操作する実験などを計

GeV ガンマ線ビームラインにおいてハドロンの多様な状態を生成し、そこから放出される中性パイ (π0) 中間子やエータ (η) 中間子などを捉える実験装置です。CsI 結晶、鉛・シンチレーティングファイバー、鉛ガラスの３つのガンマ線検出器から構成されています。

白金やタングステンなどのコンバータで光子（制動放射線）個々の原子核からα線、β線、γ線などの高エネルギー信ています。
素粒子物理学の金字塔である「標準理論」では電子とミュー粒子は同じ性質をもつ
つ世界各地で不一致の原因解明・真の陽子半径の決定に向け粒子と考えられているため、「陽子半径問題」は「標準理論」の「ほころび」を示唆しし量の起源は何かという根源的な問いに迫ろうとしています。

子ビームの時間方向分布とエネルギー分布を制御し 、効率良画しています。

ないことが発表され「陽子半径問題」と呼ばれる事態になっています。

η中間子光生成コヒーレント・テラヘルツ光源の開発を行なっています。

電子ビームを原子核標的に照射し散乱電子を観測すると原子核内部の詳細な様子がわかります。
電子ビームを原子核標的に照射し散乱電子を観測すると、原子核内部の詳細な様子がわかります。現代原子
私達はこの電子散乱と呼ばれる測定手段を通じ現代原子核物理学が抱える以下の2つの研究課題に核物理学が抱える以下の２つの課題に、私達は電子散乱で挑んでいます。課題毎に獲得した２つの大型研究費挑んでいます。
（科研費・基盤研究（S））により研究を推進しています。
・陽子の大きさの精密測定
・陽子の大きさの精密測定
・短寿命な不安定エキゾチック原子核の大きさや形、内部構造の研究
・短寿命な不安定エキゾチック原子核の大きさや形、内部構造の研究
陽子は、中性子とともに原子核を構成する基本粒子です。
陽子は、中性子とともに原子核を構成する基本粒子です。長年、大きさや形、内部部
長年、大きさや形、内部構造が詳細に調べられてきました。

私たちは、テラヘルツ光の波長 (1THz の光で 300µm) より電子線照射設備

60 MeV まで電子を加速することができます。その電子を陽子の大きさの精密測定
陽子の大きさの精密測定

THz 光源開発用試験加速器 (t-ACTS)

もパルス長の短い電子ビームを生成し、そのビームを使った

当センターの大強度電子線形加速器では最大エネルギー

電子散乱による原子核研究

GeV ガンマ線によるクォーク・ハドロン研究

核・放射化学

Nuclear and Radiochemistry原子核エネルギーとして、将来の産業構造に大きな変化をもたらすと期待されています。

従来の核反応と凝縮系核反応の違い