第12回ユニット構築会議 (核融合研究所)
2021年6月28日(月)ー

ミュオンの応用

ミュオン科学と核融合科学の融合
中部大学

岡田 信二

ー

ミュオン

2

ミュオンは、電子と似た性質を持ち電子の約200倍の質量を有する（静止状態で約2マイクロ秒の寿命）

1．人工生成が可能
粒子加速器により2．上空から常に降り注いでいる
地球大気との反応
宇宙線（中低エネルギー

宇宙線（低エネルギー宇宙線（高エネルギー

大強度のミュオン生成が可能
K粒子

中性子

粒子
K粒子

ニュートリノγ線

陽子
電磁シャワーミュオン
ミューオン

The 25th J-PARC PAC

加速器

ニュートリノ
原子核
シャワー

電子・陽電子

ミュオン
ミューオン

中性子

例：J-PARC加速器施設

粒子

高い透過力があり地表まで届く

宇宙線

ミュオンの応用①量子的性質人工生成したミュオンを利用

3②高い透過力宇宙から降り注ぐミュオンを利用

エネルギー• 中性子利用・応用➡長寿命核分裂生成物の短半減期化• ゼロエミッションエネルギー源• 需要が急増しているヘリウム生産防災減災
地球全体の宇宙天気予報
宇宙線ミュオン

加速ュ 器
オン

Tanaka et al. (2007)

ミ

クリーン・コンパクト循環型
新ミュオン触媒核融合炉

大規模構造物(地殻,火山)の透視

加速器
技術

小型ミュオン源の産業応用
さらなる応用へ

宇宙天気観測地殻変動の監視研究テーマの提案
NIFSと共に取り組むことにより新たな展開を期待

ミュオンの応用② ミュオン触媒核融合① エキゾチックな原子・分子分光科学③ 宇宙線ミュオン応用

4

メンバー
NIFSにおける窓口：

5

加藤太治先生

本テーマに関して、現在、ユニット構築会議に登録しているメンバー：
๏ 岡田信二（中部大）：μCF※実験、エキゾチック原子分子๏ 佐藤元泰（中部大）：μCFシステム開発

๏ 大嶋晃敏（中部大）：宇宙線ミュオンによる宇宙天気観測๏ 木野康志（東北大）：μCF理論、エキゾチック原子分子๏ 山下琢磨（東北大）：μCF理論、エキゾチック原子分子
๏ 有川安信（阪大）：レーザー粒子加速（ミュオン源）※ μCF = Muon catalyzed fusion (ミュオン触媒核融合)

① エキゾチック原子・分子分光科学
エキゾチック原子：「原子」を構成する原子核や電子を他の荷電粒子で置き換えたクーロン束縛系→ 近年、高分解能Ｘ線検出器により大きく進展ミュオン原子負電荷のミュオンは物質に静止させると、① 電子と置き換わりミュオン原子を生成

μ-

通常の原子
e入れ替わる半径原子核

7ミュオン原子
通常の原子

負電荷のミュオンは物質に静止させると、① 電子と置き換わりミュオン原子を生成μ-e入れ替わる半径

原子核

ミュオンは、電子の約200倍の質量② をもつため、生成初期は高励起状態

e-にとっては n=1 軌道でもμ-にとっては n~14 の高励起状態
主量子数( μHの場合 )8ミュオン原子負電荷のミュオンは物質に静止させると、① 電子と置き換わりミュオン原子を生成

9高励起状態からμ-スタート (n~14)

n=14
原子核

ミュオンは、電子の約200倍の質量② をもつため、生成初期は高励起状態

e-にとっては n=1 軌道でもμ-にとっては n~14 の高励起状態
主量子数( μHの場合 )ミュオン原子負電荷のミュオンは物質に静止させると、① 電子と置き換わりミュオン原子を生成

高励起状態からμ-スタート (n~14)

n=14 131211…

…

原子核

ミュオンは、電子の約200倍の質量② をもつため、生成初期は高励起状態

脱励起
基底状態 n=1n=1における原子半径同士の比較するとe-にとっては n=1 軌道でもμ-にとっては n~14 の高励起状態
主量子数10( μHの場合 )ミュオン原子負電荷のミュオンは物質に静止させると、① 電子と置き換わりミュオン原子を生成

高励起状態からμ-スタート (n~14)

n=14 131211…

② をもつため、生成初期は高励起状態

脱励起
基底状態 n=1n=1における原子半径同士の比較すると縮尺e-にとっては n=1 軌道でもμ-にとっては n~14 の高励起状態( μHの場合 )電子より200倍重い為、通常の原子と比べると③ 半径 1/200 の非常にコンパクトな原子を形成
ミュオン水素原子は全体で電荷ゼロで、原子半径が小さく他の原子核に接近可能…

原子核

ミュオンは、電子の約200倍の質量

主量子数

11

核融合

ミュオン水素μH
全体で電荷ゼロ
μ- : 電荷-1p : 電荷+1

通常の水素H

Hot topic : ミュオン原子分光

12De-excitation dynamics of muonic atoms revealed by high precision spectroscopy ofelectronic K x rays
T. Okumura,1, ∗ T. Azuma,1, † D. A. Bennett,2 P. Caradonna,3 I. Chiu,4 W. B. Doriese,2 M. S. Durkin,2 J. W.
Fowler,2 J. D. Gard,2 T. Hashimoto,5 R. Hayakawa,6 G. C. Hilton,2 Y. Ichinohe,7 P. Indelicato,8 T. Isobe,9 S.
Kanda,10 D. Kato,11 M. Katsuragawa,3 N. Kawamura,10 Y. Kino,12 M. K. Kubo,13 K. Mine,3 Y. Miyake,10 K. M.
Morgan,2 K. Ninomiya,4 H. Noda,14 G. C. O’Neil,2 S. Okada,1, ‡ K. Okutsu,12 T. Osawa,15 N. Paul,8 C. D.
Reintsema,2 D. R. Schmidt,2 K. Shimomura,10 P. Strasser,10 H. Suda,6 D. S. Swetz,2 T. Takahashi,3 S. Takeda,3 S.
Takeshita,10 M. Tampo,10 H. Tatsuno,6 X. M. Tong,16 Y. Ueno,1 J. N. Ullom,2 S. Watanabe,17 and S. Yamada7→ PRL受理 (6月12日)
as Editor’s suggestion
NIFS

1Atomic, Molecular and Optical Physics Laboratory, RIKEN, Wako 351-0198, Japan
2
National Institute of Standards and Technology, Boulder, CO 80305, USA
3
Kavli IPMU (WPI), The University of Tokyo, Kashiwa, Chiba 277-8583, Japan
4
Department of Chemistry, Osaka University, Toyonaka, Osaka 560-0043, Japan
5
Advanced Science Research Center (ASRC), Japan Atomic Energy Agency (JAEA), Tokai 319-1184, Japan
6
Department of Physics, Tokyo Metropolitan University, Tokyo 192-0397, Japan7Department of Physics, Rikkyo University, Tokyo 171-8501, Japan
8
Laboratoire Kastler Brossel, Sorbonne Université, CNRS, ENS-PSL Research University,Collège de France, Case 74, 4, place Jussieu, 75005 Paris, France
9
RIKEN Nishina Center, RIKEN, Wako 351-0198, Japan
10
High Energy Accelerator Research Organization (KEK), Tsukuba, Ibaraki 305-0801, Japan
11National Institute for Fusion Science (NIFS), Toki, Gifu 509-5292, Japan
12
Department of Chemistry, Tohoku University, Sendai, Miyagi 980-8578, Japan
13
Department of Natural Sciences, College of Liberal Arts,
International Christian University, Mitaka, Tokyo 181-8585, Japan14
Department of Earth and Space Science, Osaka University, Toyonaka, Osaka 560-0043, Japan
15
Materials Sciences Research Center (MSRC), Japan Atomic Energy Agency (JAEA), Tokai 319-1184, Japan
16
Center for Computational Sciences, University of Tsukuba, Tsukuba, Ibaraki 305-8573, Japan17
Department of Space Astronomy and Astrophysics,
Institute of Space and Astronautical Science (ISAS),
Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA), Sagamihara, Kanagawa 252-5210, Japan(Dated: June 10, 2021)

Ｘ線の精密分光We observed electronic K x rays emitted from muonic iron atoms using superconducting
transition-edge sensor microcalorimeters. The energy resolution of 5.2 eV in FWHM allowed us
to observe the asymmetric broad profile of the electronic characteristic Kα and Kβ x rays together
with the hypersatellite K h α x rays around 6 keV. This signature reflects the time-dependent screening of the nuclear charge by the negative muon and the L-shell electrons, accompanied by electronside-feeding. Assisted by a simulation, this data clearly reveals the electronic K- and L-shell hole
production and their temporal evolution on the 10-20 fs scale during the muon cascade process.

ミュオン原子(μ- Fe)A muonic atom is a bound state consisting of a negative muon and a nucleus, sometimes accompanied bybound electrons. Because of the larger muon mass, theBohr radius is about 207 times smaller than that of theelectron. Due to the screening effect when the muonis in its 1s ground state, the electron shell is well approximated by that of a Z − 1 nucleus. After its formation, the muonic atom survives for a finite time before the muon is captured by the nucleus, normally ona timescale shorter than the 2.2 µs intrinsic lifetime ofthe negative muon. Research on muonic atoms has beenpursued by the atomic, nuclear, and particle physics communities for many decades [1–3], and muonic atom xray spectroscopy has been widely applied to determine
nuclear sizes and shapes [4–7]. Measurements of the
proton size using muonic hydrogen and deuterium havespurred the so-called “proton radius puzzle” and a hostof Beyond Standard Model physics proposals [8–12]. Re-遮蔽

電子の軌道

cently muonic atoms have been proposed as a new testing
ground for bound-state quantum electrodynamics [13].
In addition to these fundamental questions of quantum
structure, the dynamical aspect of the electronic cloudin muonic atoms poses a fascinating quantum few-bodyproblem, of which little is known, though some parallels
may be drawn with the de-excitation dynamics of highly
charged ions in solids or during ion-surface interaction[14–18].

e-周期表
2526

When a negative muon is captured by an atom, normally in a highly excited state, the muon starts to cascade towards the nucleus first by muon-induced Auger
decay (stripping bound electrons), and then via radiative decay (emitting muonic x rays). The former process
dominates at the beginning of the cascade, accompanying
electron ejection from M -shell, followed by L-shell andK-shell. The latter radiative decay is important whenthe muon approaches the lower levels. Finally, the muon

e-μ-Feμ-

脱励起

ミュオンの軌道✓ Feの電荷 (+26) は μ- (-1)によって遮蔽✓ 電子にとっては、原子番号25のMnにみえる✓ μ原子の脱励起中にみると遮蔽具合が変化✓ 電子のX線エネルギーを精密分光してミュオンの原子形成過程の全貌を捉えた

μFe原子：精密分光実験結果
超伝導転移端マイクロカロリメータ
Transition Edge Sensor = TESTES

超伝導検出器により高分解能を実現

13

ミュオンビーム実験 ＠ J-PARC
半導体検出器(SDD)：ΔE ~ 150 eV

SDD

超伝導検出器(TES)：ΔE ~ 5 eV
（30倍優れた分解能）μFe原子：精密分光実験結果
超伝導転移端マイクロカロリメータ

TES

Transition Edge Sensor = TES

超伝導検出器により高分解能を実現

14

ミュオンビーム実験 ＠ J-PARC
半導体検出器(SDD)：ΔE ~ 150 eV

SDD

超伝導検出器(TES)：ΔE ~ 5 eV
（30倍優れた分解能）

Mn Kα, Kβの位置から高エネルギー側に広がるブロードな構造を観測

理論計算との比較

rymto
ugyy,gyrss,a-

1.ミュオンによる遮蔽効果（μ-Feの主量子数の違い）
2.電子のconfiguration（L殻の穴の数）

ミュオン原子の主量子数

rdhrori].
nrenctheelaycdyss.
ashen15に依存してエネルギーが変化電子L殻の穴数

FIG. 2. (a) X-ray spectrum in the energy range from 5000
to 7400 eV measured by the TES detector. Broad electronic
Kα and Kβ x rays from µFe are observed. In addition, sharp
Mn Kα1 and Kβ1, 3 x rays are identified (dotted lines). The
Mn Kα2 x rays are discernible at the low-energy side of theMn Kα1 line. Muonic x rays from µBe (n = 3 → 2) are
due to direct muon injection into a Be window in front of
the detector. A broad tail-like structure beneath the peak ofmuonic x rays from µBe is identified as the hypersatellite K h αx rays. The energy of Mn K h α is also shown [46]. Cr and CoKα x rays are calibration x rays from the x-ray generator. FeKα and Kβ x rays are due to direct injection of muons and理論計算コラボレーション• 加藤太治 (核融合研)• X. M. Tong (筑波大)• P. Indelicato (ソルボンヌ大)

理論計算との比較

rymto
ugyy,gyrss,a-

1.ミュオンによる遮蔽効果（μ-Feの主量子数の違い）
2.電子のconfiguration（L殻の穴の数）

ミュオン原子の主量子数rdhrori].
nrenctheelay
cdyss.
ashen16に依存してエネルギーが変化
電子L殻の穴数

FIG. 2. (a) X-ray spectrum in the energy range from 5000
to 7400 eV measured by the TES detector. Broad electronic
Kα and Kβ x rays from µFe are observed. In addition, sharp
Mn Kα1 and Kβ1, 3 x rays are identified (dotted lines). The
Mn Kα2 x rays are discernible at the low-energy side of theMn Kα1 line. Muonic x rays from µBe (n = 3 → 2) are
due to direct muon injection into a Be window in front of
the detector. A broad tail-like structure beneath the peak ofmuonic x rays from µBe is identified as the hypersatellite K h αx rays. The energy of Mn K h α is also shown [46]. Cr and Co
Kα x rays are calibration x rays from the x-ray generator. Fe
Kα and Kβ x rays are due to direct injection of muons and理論計算コラボレーション• 加藤太治 (核融合研)• X. M. Tong (筑波大)• P. Indelicato (ソルボンヌ大)

理論計算との比較

ry

ミュオン原子の主量子数rdhrori].
nrenctheelaythe moment of x-ray emission, which
colution of the de-excitation dynamics.
dcontributions, we calculated the enysthe electronic K x rays employing電子L殻
theの穴数s.
eveloped
for highly charged hollow ions
allic materials [49]. We calculated theas
Fe in vacuum with non-relativistic denheeory
an optimized effective poten4n andFIG. 2. (a) X-ray spectrum in the energy range from 5000

he self-interaction corrections [50]. We
to moving
7400 eVinmeasured
bypotenthe TES detector. Broad electronic
on to bean effective
Kα andrays from µFe
mthe nucleus
andKβthexsurrounding
elec-are observed. In addition, sharp
Kα1
Kβ1, 3 xrays are identified (dotted lines). The
toctrons Mn
movinginand
an effective
potential
Mn Kα2
x rays are discernible
at the low-energy side of thehyper-satellite
self-consistently.
The numu-the muon,
Mn Kα1line. Muonic
x raysfrom µBe (n = 3 → 2) areも再現
nfigurations
with different
muon statesgydue
to K-,
directmuon
injection
into a Be window in front ofpancies
intheL-,andM-shells
isy,
the detector.
broad tail-like
he K x-ray
energies areAobtainedby the structure beneath the peakhof
gyrays from µBe
is identified as the hypersatellite K α
ence ofmuonic
the twoxconfigurations
involved
hrsWe found
x rays.
of Mn Kefα is also shown [46]. Cr and Co
thatThethe energy
outer screening
フィットパラメータ：
Kα
x raysareimportantcalibration
rays from the x-ray generator. Fes,
undingmetal
is less
forxtheKαandKβbandx raysare byduethe
to direct injection of muons andaM
becausethe 金属バンドからの電子のM殻へのside-feedingの速さΓ
valenceformed17

1.ミュオンによる遮蔽効果（μ-Feの主量子数の違い）
2.電子のconfiguration（L殻の穴の数）4に依存してエネルギーが変化

カスケード計算スペクトルを再現理論計算コラボレーション• 加藤太治 (核融合研)• X. M. Tong (筑波大)• P. Indelicato (ソルボンヌ大)超伝導転移端 (TES) マイクロカロリメータ
Transition Edge Sensor = TES
Ｘ線が吸収体で吸収された時の微量な温度上昇を高感度温度計TESで測定し、X線エネルギーを高精度で測定する熱量計

現状のTES検出器： < 15 keV 用
Photo credit : J. Uhlig

1cm

現在制作中 @ NIST

50 mK 冷凍機

TES検出器： < 50 keV 用

TES検出器： < 130 keV 用
γ線領域まで拡張
33 cm（ミュオン原子分光の他にも、多価イオン高精度分光実験への応用等も）18

② ミュオン触媒核融合
๏ 1980 - 2000年：実験・理論共に大きな進展๏ 2015年頃から、東北大 木野らにより再検討が始まる

๏ 先進理論により、素過程の理解に大きな進展๏ 現在：理論・実験、工学的見地からも精力的に研究を進めているミュオン触媒核融合の素過程tμ(1s)(2s, 2p 混合状態)tμ*μ-μ-dtdtμ* 分子共鳴状態dt

解離

dt fusion

従来のμ触媒核融合20tμ(1s)μ-μ-（Vesman 機構）

t

1 keV の tμ原子nd→ 高い断面積

4Heμ-

他のD2ガスに衝突し高い断面積で「Inflight」によるミュオン核融合を起こす

AIP Conference Proceedings 2179, 020010 (2019)

素過程に関する理解の進展

従来のμCFサイクル

21

断熱近似を脱却した新しい少数多体系計算(dtμ*)e → 電子も含めた4体計算

tµdµ2.0

ct = 0.1

ct = 0.2

ct = 0.4
VM
VM

1.5

dtµµCF cycle

αµ+nVMα+n+µ

新しいμCFサイクルtµ*

Normalized cycle rate (108 s–1)

µ1.0

EVM-SPM VM-SPM-FIFµCF cycle

αµ+nα+n+µ

VM-SPM-FIF

ct = 0.5

2.0

EVM-SPM-FIF

ct = 0.7

ct = 0.8

1.5
VM

1.0

VM-SPM-FIF

EVM-SPM-FIF

M

-SP

EVM
VM

EVM-SPM-FIF

EVM-SPM
VM-SPM-FIF

M
-SP
EVMVM
VM-SPM-FIF

0.0

IFµCF cycleµEVM-SPMEVM-SPM

VM-SPM-FIF

0.0

dµ*
tµ

EVM-SPM-FIF

EVM-SPM-FIF

0.5

0.5dµ-FIF
PMS
EVM

0200400600

800 0200400600

800 0200400600

800

Temperature (K)dtµdtµ*hot dµhot tµ

従来のμCFサイクルでは説明できなかった

FIG. 2. Normalized cycle rates calculated in this work are comparedwith experimental results (◦ [10], " [3], ! [9], # [22]) as a function
反応速度の温度依存性を説明することに成功！
of temperature. The shade range is drawn in the vicinity of 0.1 ≤Υt ≤ 0.9 (the solid line corresponds to Υt = 0.5).

論文投稿済（東北大：山下・木野 他）

最近の進展・提案
素過程に関する理解の進展（μCF理論）①
先進理論により正確で大きな反応断面積を理論的に検証
木野・山下（東北大）他

ミュオン核融合炉の提案② 定常循環型μCF標的
既存技術で開発可能レベル
佐藤（中部大） 他

先進ミュオン源の提案③ 従来の方法とは全く異なる、μCFの為の低速ミュオン生成法
岡田（中部大）、有川（阪大）他

新規高効率エネルギー交換法の提案④ 温度差の小さな熱源にも有効な高効率集電。μCFから放出される「アルファ粒子」からのエネルギー回収（温度差〜200℃）
佐藤（中部大） 他

22地球大気との反応
宇宙線（中低エネルギー宇宙線（低エネルギーK粒子

中性子

宇宙線
（高エネルギー粒子
K粒子

ニュートリノ

γ線

陽子
電磁
シャワー

ミュオン
ミューオン
中性子

粒子
ニュートリノ
原子核
シャワー

加速器ではなく「高エネルギー宇宙線（陽子）」起因の地上まで透過してくる「ミュオン」を利用

電子・陽電子

ミュオン

ミューオン

③ 宇宙線ミュオン応用(a) 宇宙天気(b) 雷雲電場の透視(c) 密度構造物透視

宇宙天気（新たな宇宙天気観測の開拓）
プラズマ速度：700 km/s —> 2.4日（光速 ~8分）

24

ミュオンによる雷雲電場の透視

25ミュオンによる構造物透視26

Summary研究テーマの提案
ーミュオン科学と核融合科学の融合

ミュオンの応用28

ーミュオン触媒核融合
新しい核融合の可能性

エキゾチックな原子・分子分光科学
先進の理論と検出器により宇宙線ミュオン応用

原子・分子素過程の解明

宇宙物理・地球大気科学・イメージング技術