2024 年 5 月 17 日

世界初、素粒⼦ミュオンの冷却・加速に成功〜ミュオン加速元年、ついにミュオン加速器の実現へ〜

本研究成果のストーリー●Question

素粒⼦ミュオンを加速器で加速できると、素粒⼦物理学や物質⽣命科学、地球科学など、さまざまな分野での活用が期待されます。ミュオンは、ミュオン g-2/EDM 実験と呼ばれる素粒⼦標準理論のほころびの超精密検証実験などに有用ですが、加速は技術的に難しく、成功例はありませんでした。

●Findings

加速器を用いて人工的につくったミュオンは、向きや速さのばらつきが大きく上記のような実験に適しません。しかしプラスの電荷を持つミュオン（ミュオンの反粒⼦の正ミュオン）なら、ほぼ止まるまでいったん減速して向きや速さをそろえる（冷却する）ことができます。今回、正ミュオンを改めて光速の約 4%まで加速することに世界で初めて成功しました。

●Meaning

研究グループではこれまで冷却・加速技術の開発を続けてきており、今回初めて、素粒⼦ミュオンそのものの冷却・加速ができることを⽰しました。標準理論の超精密検証実験を始めるための大きな一歩となります。加速ミュオンを用いた全く新しいイメージングによって、ミュオン顕微鏡、⽂理融合研究などさまざまな応用も検討されています。

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図 1 向きや速さがそろっていない正ミュオンビームをいったん冷却し、改めて加速する模式図

素粒⼦ミュオンを冷却し、光速の約 4%まで加速することに成功しました。前人未到のミュオンの加速実現で、2024 年は「ミュオン加速元年」となりました。標準理論のほころびの超精密検証、ミュオン顕微鏡、⽂理融合研究など新しい科学の地平が広がります。

写真 1

J-PARC 物質・⽣命科学実験施設（MLF）ミュオン実験施設で⾏われたミュオン冷却・加速の実験装置。正ミュオンビームが右側から⼊射し、写真右⼿前の装置で冷却され、その左側にある⾼周波加速空洞で加速される。加速空洞の左奥に加速されたビームの診断装置が設置されている。

概要
ミュオン（ミュー粒⼦、ミューオンともいいます）は電⼦に似た素粒⼦です。1936 年、空から降り注ぐ宇宙線として初めて⾒つかりました。宇宙線由来の天然のミュオンを使ってピラミッド内部を透視することなどが⾏われていますが、現在では加速器で人工的・大量につくれるようになり、さまざまな活用が始まっています。

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加速器でミュオンを作るにはまず、陽⼦加速器で陽⼦を光速近くまで加速します。そして加速された陽⼦を⿊鉛などの標的にぶつけると、パイ中間⼦と呼ばれる粒⼦ができ、それが崩壊してミュオンができます。
茨城県東海村にある大強度陽⼦加速器施設（J-PARC）（※1）では、1 秒間に 1 億個ぐらいのミュオンができますが、できたミュオンは、陽⼦、パイ中間⼦を経た「孫粒⼦」なので、向きや速さがかなりバラバラになっています。そのままで使える実験もありますが、ミュオン g-2/EDM実験などには不向きです。
ミュオンはマイナスの電荷を持つものとプラスの電荷を持つものがあり、お互いに粒⼦・反粒⼦の関係にあります。プラスの電荷を持つミュオンを正ミュオンといいますが、これはほぼ止まるまで減速して向きと速さをそろえる（冷却）することができます。いったんほぼ止まった
あと電場で加速すれば、向きと速さのそろった指向性の⾼いミュオンのビームとなります。
向きや速さがそろっていないミュオンは加速が難しいのです。加速に使う加速空洞は真空の筒のようなものですが、向きがバラバラだと筒に効率よく⼊れることができません。また速さが不ぞろいだと加速の効率が悪くなります。
J-PARC では、陽⼦加速器でできた光速の 30%程度の速さを持つ正ミュオンをシリカエアロゲルと呼ばれる材料に打ち込みます。正ミュオンはシリカエアロゲル中の電⼦と結びついてミュオニウムという中性原⼦になります。そしてレーザーを照射して電⼦をはぎ取って正ミュオンに戻すことにより、いったん光速の 0.002%という「ほぼ停止状態」まで冷却された正ミュオンを得ます。
その後、⾼周波電場をかけて改めて正ミュオンを加速します。ほぼ止まっていた正ミュオンなので、加速すればするほど向きがそろった飛躍的に指向性が⾼いミュオンビームが実現し、さまざまな実験に使えます。
今回、KEK、岡⼭大学、名古屋大学、九州大学、茨城大学、日本原⼦⼒研究開発機構、新潟大学の共同研究グループは、J-PARC 物質・⽣命科学実験施設（MLF）のミュオン実験施設において、ミュオンの冷却技術、⾼周波加速技術を組み合わせることで、正ミュオンを光速の約 4%まで加速する技術の実証に成功しました。世界初の成果になります。
ミュオンの寿命は 2 マイクロ秒（100 万分の 2 秒）ほどしかなく、素早く加速しないと崩壊してしまいます。また電⼦より 200 倍重いので段階的に加速する必要もありますが、技術開発を進め、最終的には光速の 94%まで加速する予定です。
ミュオンの加速技術にめどがついたことで、世界で初めての「ミュオン加速器」の実現が視野に⼊り、2024 年は「ミュオン加速元年」とでも呼ぶべき年になりました。加速されたミュオンを使ったさまざまな研究が進むことが期待されます。

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※1．大強度陽⼦加速器施設（J-PARC）
⾼エネルギー加速器研究機構（KEK）と日本原⼦⼒研究開発機構が茨城県東海村で共同運営している
大型研究施設で、素粒⼦物理学、原⼦核物理学、物性物理学、化学、材料科学、⽣物学などの学術的な研究から産業分野への応用研究まで、広範囲の分野での世界最先端の研究が⾏われています。
JPARC 内の物質・⽣命科学実験施設（MLF）では、世界最⾼強度のミュオン及び中性⼦ビームを用いた研究が⾏われており、世界中から研究者が集まっています。

研究グループJ-PARC センター 素粒⼦原⼦核ディビジョン、物質⽣命科学ディビジョン
KEK 素粒⼦原⼦核研究所 ミューオン・中性⼦グループ
KEK 物質構造科学研究所 ミュオン科学研究系
KEK 加速器研究施設
岡⼭大学 異分野基礎科学研究所 量⼦宇宙研究コア
名古屋大学 大学院理学研究科 理学専攻 ⾼エネルギー素粒⼦物理学研究室
名古屋大学 素粒⼦宇宙起源研究所
九州大学 理学研究院 物理学部⾨ 素粒⼦実験研究室
九州大学 先端素粒⼦物理研究センター
茨城大学 理工学研究科 量⼦線科学専攻. 素粒⼦実験研究室
日本原⼦⼒研究開発機構
新潟大学 理学部 ⾼エネルギー物理学研究室
新潟大学 研究統括機構 量⼦研究センター

なぜこの研究を始めたのですか
電⼦は電気（電荷）を帯びた粒⼦であり、磁場をかけると磁場に巻き付くような円運動をします。これをサイクロトロン運動といいます。
電⼦はまた小さな磁石でもあり、磁場の中に置くと「スピン」と呼ばれる自転運動の軸が首振り運動をします。これを歳差運動といい、粒⼦の磁石の強さ（磁気能率）が大きいほど速くなることがわかっています。
英国の物理学者ディラックの理論によれば、電⼦の磁気能率はサイクロトロン運動の周期と歳差運動の周期が完全に一致するように決まります。
ディラックの考え⽅では電⼦の磁気能率は厳密に 2 になります。磁気能率を「g 因⼦」という記号で書き、この場合は「g=2」です。
しかし実験をすると、g の値は 2 よりわずかに大きいことがわかりました。実は首振り運動が理論予想より速かったのです。これは電⼦の周囲の真空が実は空っぽではなく、電磁気⼒を担う光⼦（光の粒⼦）をごく短い時間なら一時的に⽣み出したり消したりできる「量⼦効果」が原因で、「異常磁気能率」（※2）といいます。
異常磁気能率は、素粒⼦の標準理論に基づき、極めて精密に計算することができます。電⼦の4場合は実験と 10 桁以上の精度で一致しています。
このように標準理論は数学的整合性とこれまでの実験データに⽴脚して構築された堅牢な理論で、電⼦の異常磁気能率の理論と実験の⾼精度一致はその表れの一つです。
しかし近年、標準理論では説明できない現象が報告され、理論は拡張を迫られています。重⼒を含んでいないことや、暗⿊物質や暗⿊エネルギーを説明できないことなどがその限界と考えられています。
標準理論がどのように拡張されるべきか、ミュオンを用いた測定がその指針を与えると考え、研究を始めました。標準理論を超える未知の粒⼦や⼒が存在すれば、その効果がミュオンに顕著に現れ、観測しやすいと考えられているからです。ミュオンの異常磁気能率（g-2） や電気双極⼦能率（EDM）（※3）の超精密測定により、素粒⼦標準理論に含まれない未知の素粒⼦や物理法則の存在を明らかにしたいと考えました。
⽶国で⾏われた実験ではミュオン g-2 の測定値が標準理論の予想値よりも大きい可能性が⽰唆されており、日本では大きさが 20 分の１のコンパクトな実験装置を用いた全く異なる⽅法でこれを検証します。それにはミュオンを冷却・加速することにより、指向性が⾼いビームを作ることが必要ですが、技術的に難しく、実現していませんでした。
※2．異常磁気能率（g-2）
磁気能率は素粒⼦の持つ固有の性質の一つで、ボーア磁⼦と呼ばれる物理量と g 因⼦と呼ばれる量の積で表されます。量⼦⼒学的な効果が g 因⼦の 2 からの差分として現れます。これを「異常磁気能率」（g-2）と呼びます。標準理論で極めて⾼精度に計算することができます。
※3．電気双極⼦能率（EDM）
電気双極⼦能率（EDM）は、大きさが等しい正負の電荷が空間的に離れて存在することによって⽣じる電荷分布の偏りを表す物理量です。EDM は空間反転及び時間反転対称性を破ります。素粒⼦のEDM は標準理論で極めて小さい値が予想されており、現在までに有限の値は測定されていません。

図 2 J-PARC で計画している世界初のミュオン加速器およびそれを用いた新しい実験の概要

ひらめいたところはどこですか
ミュオンの加速が難しいのは、加速器施設で作る通常のミュオンビームの向きや速さがそろっておらず（指向性が悪く）、電場で粒⼦を加速する⾼周波加速空洞に効率よく⼊れて加速するこ5とができないためです。そこで研究グループは、ミュオンをいったんほぼ静止させてから、⾼周波加速空洞で加速することによって、向きや速度や向きのばらつきを飛躍的に減らすことができると考えました。こうした指向性が⾼いミュオンビームを用いれば、⾼周波加速空洞で効率よく加速することができます。今回、その技術の実証に成功しました。

努⼒したところはどこですか
研究グループは、ミュオンの加速を実現するために今回の実験に先⽴って、ミュオンを効率よく冷却 （※4）する⽅法の開発と試験やミュオニウム負イオンを用いた⾼周波加速空洞の試験（※5）を重ねてきました。
ミュオン g-2/EDM 実験では、ミュオニウムから電⼦をはぎとった素粒⼦としてのミュオンの加速が必要です。そこでミュオニウムから電⼦をはぎ取るため、発振周波数を精密制御した超⾼安定レーザーを開発し（※6）、⻑時間安定に冷却されたミュオンを⽣成することに成功しました。これらの準備に基づき、世界最大強度のパルスミュオンビームを供給する J-PARC で実験を⾏ったことで、今回、ミュオンの冷却・加速に成功しました（※7）。
光速の 30%（エネルギーの単位では 4MeV）の速度を持つ正ミュオンビームをいったん光速の0.002%（25meV）まで減速（冷却）し、改めて光速の 4%（90keV）まで加速できました。
※4．ミュオンの冷却
ミュオン冷却とはミュオンの向きや速さをそろえることです。ミュオンのエネルギーとその広がりを小さくするために、ミュオンビームをシリカエアロゲルに打ち込んでミュオニウム（正ミュオンと電⼦で構成される粒⼦）を⽣成させ、ほとんど静止した状態にした後、レーザーを使って電⼦をはぎ取り正ミュオンだけの状態にします。シリカエアロゲルにレーザー加工を施して収量を大幅に増大させる⽅法を開発しました。
（参考︓ KEK プレスリリース「室温ミューオニウムの大量⽣成に成功—ミューオン異常磁気能率・電気双極⼦能率の超精密測定による『標準理論の綻び』検証に近づく, 2014
年 9 月」）※5．ミュオニウム負イオンを用いた⾼周波加速
質量がほぼ等しいミュオニウム負イオン（正ミュオン１個、電⼦２個で構成されるイオン）を用いて、今回用いた⾼周波加速空洞による加速と加速後のビーム診断装置の確認を⾏い、ミュオニウム負イオンの⾼周波加速を確認しました。
（参考︓素核研ニュース「高周波リニアックによるミューオンの加速実験に成功

ミューオン研究グループ」 2017 年 12 月）※6．超⾼安定レーザーの開発
正ミュオンと電⼦から構成される中性原⼦のミュオニウムから電⼦をはぎ取って正ミュオンにするために、レーザー共鳴イオン化と呼ばれる⽅法を用います。これはレーザーの発振周波数をミュオニウムの内部状態に共鳴させることで、電⼦をはぎ取る効率を何桁も向上させる⽅法です。発振周波数がわずかでもずれると電⼦をはぎ取ることが全くできないため、レーザー周波数の精密制御は実験の鍵を握る技術の一つです。研究グループではレーザー周波数を 11 桁という⾮常に⾼い精度で制御し、24 時間連続運転で 1 ヶ月に渡って制御し続けることが可能な技術を開発しました。

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※7．ミュオン加速技術とは（レーザー光に例えた説明）

ミュオン加速器におけるミュオンビームと加速器の関係は，光通信におけるレーザー光と光ファイバーの関係と似ています。光ファイバーは直径 10 ミクロン （髪の毛の太さの約 10 分の 1，光の波⻑の 7 倍） という細いガラス中に光を伝播させるデバイスです。このような細い光ファイバーに光を⼊射するためには、レーザー光のような向きのそろった （指向性の⾼い） 光が必要です。これは、蛍光灯や太陽光など自然光は向きがバラバラのため光ファイバーに効率良く⼊射して伝播させることが困難なためです。
加速器施設で作る通常のミュオンビームは指向性が悪く、自然光と似た特性を持っています。そして電場で粒⼦を加速する⾼周波加速空洞は光ファイバーと似た装置で、指向性の⾼い荷電粒⼦しか効率良く運ぶことができません。そのため、ミュオンビームの指向性を⾼くすることが研究の鍵を握っています。

何がわかったのですか
J-PARC 物質・⽣命科学実験施設ミュオン実験施設において、供給されるミュオンビームをほぼ止まった状態まで冷却・減速し、⾼周波加速空洞に⼊射することにより、ミュオンを光速の約４％まで加速することに成功しました。図 3 は電⼦をはぎとるレーザーをミュオニウムに照射したとき、⾼周波加速空洞の出⼝で、想定された速さ（光速の 4%、エネルギーの単位では 90keV）の正ミュオンが検出されたことを⽰します。この⽅法によって正ミュオンの加速が可能であることがわかりました。さらに加速することで、指向性が極めて⾼いミュオンビームを得ることができます。

図 3 加速空洞出⼝で測定した粒⼦の時間分布と冷却・加速されたミュオンの信号。あらかじめ加速後に想定されるエネルギー（90 keV）と運動量を持つ粒⼦だけを選択し、測定している。

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それで世界はどう変わりますか
世界には多数の加速器施設がありますが、ミュオンの加速器は存在しません。今回実現したミュオンの冷却・加速技術によって、世界で初めてのミュオン加速器を実現します。これを用いて素粒⼦標準理論のほころびの超精密検証や時間反転対称性の検証実験（ミュオン g-2/EDM 実験）、ミュオン顕微鏡など、さまざまな活用が可能です。さらに将来には、TeV を超えるエネルギーのミュオンを用いた衝突型加速器（コライダー）にこの技術を利用するアイデアもあり、夢が広がります。

謝辞
本 研 究 は JSPS 科 研 費 （ 18H05226, 19H05606, 20H05625, 21K13944, 21J01132,22KJ1594, 22K21350, 22H00141, 24H00023, 24K03211）、⽂部科学省光・量⼦飛躍フラッグシッププログラム（Q-LEAP）JPMXS0118069021、JST 未来社会創造事業 JPMJMI17A1の助成を受けたものです。実験は J-PARC MLF の実験課題（2011MS06）として実施されました。
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