Japan Proton Accelerator Research Complex

J-PARC

大強度陽子加速器計画

MUSE

Muon Source Extension

世界最強のパルス状ミュオンビーム施設が拓く新しい科学の地平
真に学際的なミュオン科学

が原子核という狭い空間に陽子や中性子とと磁性、超伝導の研究、半導体における水素同もに閉じこもっているのに対して、ミュオン位体の電子状態の研究、物理化学における水ミュオンという粒子が宇宙線の中から発は電子や光と同じように物質と相互作用する素同位体の化学反応の研究、負ミュオンが触見されたのが1937年。当時、その数年前に湯ため、原子の集合体としての物質の状態を調媒する核融合反応の研究などが精力的に展開

川博士によって予言された「中間子」と重さべるのに大変好都合な粒子です。もちろん、され、この間、超低速ミュオンビームの開発がよく似ていたことからそれと間違われてしミュオンはこれら従来の探針では得られないなどビームの性質を劇的に改善する開発研究まいましたが、実はその中間子が短い時間でような情報を与えてくれます。ミュオンはいも進められました。さらに生物物理学や医学崩壊して生まれてくるのがミュオン（ミュー

わば光、電子線に次ぐ新しい「顕微鏡」を私応用を含む非破壊分析などへの応用研究など粒子、ギリシャ文字µで表記）です。中間子たちに与えてくれるのです。

も少しずつ進み始めています。このように、光や電子を用いる顕微鏡が過去一世紀以霧箱で捉えられた宇宙線中のミュオン上に渡って物理学、化学から生物学までをふ

ミュオン科学は真に学際的な研究分野を形成しています。

くむ幅広い科学の分野で強力な研究手段とこれまでKEK-MSLは国内唯一のミュオンなってきたように、ミュオンにも幅広い応用施設として、また世界初のパルス状ミュオンの可能性があります。実際、約30年前にミュ源として、20年以上に渡りこの分野に大きなオンが陽子加速器によって人工的な「イオン寄与をして参りました。J-PARCにおけるミュビーム」として得られるようになって以来、オン施設はそれをさらに飛躍的に発展させ素粒子物理学から始まって物質科学におけるる、文字通り世界最強のミュオン源です。

世界に先駆けた日本のパルス状ミュオン源(KEK-MSL)
世界最初のパルス状ミュオンは1980年に東京大学のチームによって高エネルギー物理学研究所（当時）ブースターシンクロトロンに設けられた施設でその発生に成功しました。既に世の中に連続状のミュオンビームを供給する施設がカナダ、スイス等複数存在し、当時それらの利用者の大半は「パルス状」ビームの有用性に対して懐疑的であったと言われています。そのような予想を覆し、東大チームはパルス状ミュオンビームが連続状ビームと相補的に強力な実験手段であることを様々な実験を通して世界に知らしめました。この成功が後に英国ラザフォード・アップルトン研究所(RAL)でのパルス状ミュオン源の誕生、さらには理研RALミュオン施設の建設へとつながることになります。

ミュオンスピン回転／緩和／共鳴（µSR）の原理
a) ミュオンビームを試料に注入
陽子ビームを固体標的に照射すると大量のπ中間子が発生し、その自然崩壊により得られるミュオンを集めてビームとして試料に注入します。このときすべての ミ ュ オ ン の ス ピ ン （ 磁 気 モ ーメ ント）がほぼ完全にそろっているのが特徴です。

J-PARC 物質生命実験棟内部

世界最強のミュオン源へに建設中のミュオン施設：

現在、日本原子力研究開発機構と高エネす（右コラム参照）。これはミュオンスピン

ルギー加速器研究機構が共同で茨城県東海村

回転／緩和／共鳴（μSR）と呼ばれ、物質のに建設中のJ-PARC施設では、3ギガ電子ボル内部の磁気的状態を原子スケールで知ることトに加速された大電流の陽子ビームを固体標ができる「磁気の顕微鏡」ということができ的に照射することにより、より汎用性の高いるでしょう。その誕生から30年余り、μSRは+プラスの電荷を持ったミュオン（µ ）につい今や物性評価の重要な手段と位置づけられ、て、KEK-MSLに比べ三桁近く強度の高いミュ多くのユーザーが利用しています。

オンビームを供給できるようなミュオン研究

J-PARCで実現される高強度のミュオン施設の建設が進行中です。これは現在、同様ビームはµSRにとって大いなる福音となりまのパルス状ビーム源として世界最高強度を誇す。まず、その強度を生かした迅速で正確なる英国ラザフォード・アップルトン研究所で物質の評価が可能になり、従来一週間かかっ得られるビーム強度と比べてもおよそ50倍とていた実験が半日で済むようになるでしょ

見積もられており、現在計画されているものう。これは新物質の合成⇄評価のサイクルをもふくめ、世界中全てのミュオン施設に比べ飛躍的に効率化し、新物質の開発に大きなイても格段に高い強度であることを意味していンパクトをもたらすと考えられます。また、ます。さらにミュオン触媒核融合などの研究高強度のビームを大胆に絞ることにより従来で期待される負の電荷をもったミュオン

実質的に不可能であったような微小試料、特（µ-）については、3ギガ電子ボルトという殊条件での測定が可能になり、ミュオン利用従来にない高エネルギーの陽子ビームを利用の幅が大きく広がるでしょう。さらに、同じすることにより、おそらく革命的とも言える物質生命実験棟内では中性子回折・散乱施設強度の増大が期待されています。このようなが利用可能、という大きなメリットもありま

世界的に前例のない高強度ミュオンビームがす。中性子が基本的に物質の平均的な性質にどのような可能性を秘めているのかを以下に敏感であるのに対し、μSRは局所的な不均一ご紹介しましょう。

さに極めて敏感であることから、両者の相互

b) ミュオンスピンの歳差運動
試料に注入されたミュオンは原子の隙間に止まり、その瞬間からそれぞれ隣接する原子からの磁場（外部の磁場がある場合にはそれとの合成磁場）を感じて、その大きさに比例した周波数で回転（歳差）運動します。

c) ミュオンの崩壊／陽電子の検出
ミュオンは平均約2.2マイクロ秒の寿命でいろいろな時刻に崩壊して高エネルギーの陽電子を放出します。陽電子はもとのミュオンのスピンの向きに飛び出しやすいため、それぞれのミュオンが崩壊した時刻でのミュオンスピンの向きを知ることができます。

利用による絶大なシナジー効果が期待されま物質科学における新たな展開す。

ミュオンは磁気モーメントという磁石のような性質をもち、文字通り原子スケールでの方位磁石に相当しますが、ミュオンの生成過程ではそれが完全にそろっているという大変便利な性質を持っています。従って、他の磁気共鳴法のように外部から磁場をかけなくても、物質に注入した瞬間にそろっていたスピンがどのように変化していくかを調べることができる、という大きな特徴を持っていま

銅酸化物中のゼロ磁場µSR信号の例

ミュオン科学

基礎科学

学際分野

応用

物性物理学

μ触媒核融合非破壊分析

銅酸化物超伝導体の物性

アルファ捕獲と媒質効果

バルク敏感元素分析

量子臨界点近傍の物性

超微細相互作用効果

トモグラフィ

第二種超伝導の磁束格子状態

ミュオン原子ラジオグラフィ

生物物理

ビーム開発

材料としての生命体構成物質

超低速ミュオンビーム

電子状態と分子機能

ミュオンビーム冷却／再加速

J-PARCにおけるミュオン利用の可能性は基礎科学から応用に至るまで広範囲に渡っており、これらの分野においてJPARCミュオン施設は世界的研究拠点として中心的な役割を果たすことが大いに期待されます。

半導体中の水素同位体中心

化学
ラジカル化学
水素化反応のダイナミクス
超臨界状態の化学

素粒子物理

産業利用

超対称性とミュオン稀崩壊

水素エネルギー利用関連

量子電磁気学

磁性材料評価基礎科学：別の近道験では見つかっていませんが、もしそのようなことが稀にでも実際に起こることが確かめミュオンはいまだにその存在自体が謎められれば素粒子物理学全体にとって大きなブいている素粒子です。素粒子とは「点」のよレークスルーになります。このような「稀崩うな存在で、それ自体には構造がないと考え壊」を検証する実験に対して連続状ビームはられていますが、ミュオンは「重たい」こと強度を活かす上で原理的な困難を抱えておと「有限の寿命で崩壊する」という２点を除り、今後はJ-PARCのような高強度のパルス状いて、私たちがよく知っている素粒子であるミュオンビームこそが大きな威力を発揮する電子と全く同じに見えるのです。そのようなでしょう。その他にも、物質-反物質の対称性粒子がなぜこの世に存在しなければならないの検証、物理基礎定数の精密測定など、高エのか、誰も答えられないでいます。実はミュネルギー物理学が目指すエネルギーフロンオンと同じような性質をもち、ミュオンよりティアとは相補的な、様々の興味深い精密実さらに重たいタウオン（ギリシャ文字τで表験ー別の近道ーが可能になると期待されま記）という素粒子が知られていて、e、μ、す。

化学：超高感度の「軽い水素」「世代間に混じりはないか？」を調べる実験があります。ミュオンがニュートリノを伴わずに電子に崩壊したような例は今のところ実PSIでのミュオン稀崩壊の実験結果捕まえにくい原子はない、という意味でミュオニウムはそのような研究の強力な切り札となるでしょう。残念ながら、現状ではこのよ
うな化学における興味深い応用の可能性はまだその一部分が試みられた段階にあると言っても過言ではありません。これはミュオン

τ、で「三世代」を構成しています。これが何を意味するのかを調べる研究の一つとして、超臨界水中のミュオニウムの信号ビーム利用が主に物理学の研究者により推進されてきたという歴史的な事情による部分もミュオン（μ+ ）は陽子の約9分の1の重ありますが、今日までに至るビームタイムのさを持ち、電子を1つ束縛すると水素原子と絶対的な不足もその大きな原因の一つです。

同じような「ミュオニウム」と呼ばれる状態

J-PARCミュオン施設はこの「ビームを利用すになります。いわば水素の軽い同位体に相当る機会の絶対的な不足」を解決するために必します。ミュオニウムはミュオンと同じよう要不可欠な施設なのです。に崩壊陽電子によって一つ一つ検出できるので、大変高感度な放射性のトレーサーとして様々な応用が可能です。同じような同位体として三重水素（トリチウム）がありますが、ミュオニウムはトリチウムに比べると遥かに寿命が短いため、極めて短い時間（〜ナノ秒）の変化を捉えることができるのです。この性質を利用して、水素が関わる様々な化学反応過程＝電子状態の変化をリアルタイムで追いかけることができます。微量の水素ほどがあります。そこで登場するのが負ミュオン

ミュオンが触媒する核融合

理研 RALで得られたµ触媒核融合反応による中性子スペ
クトル

負の電荷を持ったミュオンは物質中で文字通り「重たい電子」として振る舞います。
すなわち、正の電荷を持った原子核のまわり捕獲に伴う特性X線を用いた非破壊元素分析です。前節でも触れたように、負ミュオンは通常の電子に比べて200倍も重たいため、原子に捕獲・束縛される過程で放出するX線のに束縛されて原子の一部分になります。このエネルギーも桁違いに高いのです。この高い場合、負ミュオンは電子の200倍も重たいのエネルギーのおかげでミュオンの特性X線はでその分電子より200倍も原子核に近い距離数mm〜数cmという厚みを貫通して検出器にを周回することになり、周りの他の原子から到達でき、ミュオンを試料深くに注入して試見ると、あたかも負ミュオンによって原子核料内部の元素分析を行なうことが可能になりの電荷が一価だけ減少したように見えます。

ます。加速器からのビームを必要とするた（それまで原子番号Zだった原子が負ミュオめ、動かせないような大きな試料の分析にはンを束縛することで原子番号Z-1に化ける、成功しましたが、これはビームの時間構造を向きませんが、負ミュオンは最後には自然崩ということを意味します。）これはZが1であうまく利用することでバックグラウンド信号壊で消滅するため対象物の放射化もほとんどる水素原子とその同位体にとってはZ-1がゼを押さえられたことが鍵になりました。

なく、軽元素を含む全ての元素が分析可能なロ、すなわち「中性原子になる」ことを意味

現在、通常の条件で一つの負ミュオンが非破壊元素分析法として期待されています。

し、それまで相互に近づくことが出来なかっ自然崩壊するまでに触媒する核融合反応はJ-PARCの高強度ビームを用いれば、今まで実た水素同位体同士が従来の200分の1の距離150回程度との実験結果が出ており、律速過質的に不可能であったような小さな試料の分まで近づくことができるようになります。実程を制御することでその回数を増大させるこ析が可能になるなど、大きな進展が期待され際、重水素と三重水素（どちらもZ=1）の混と を 目 指 し た 研 究 が 行 わ れ て い ま す。

ます。

合物に負ミュオンを照射すると、これらの核J-PARCの高強度パルス状ビームを用いることが近づき合って常温以下の通常の環境で簡単により、 今まで実際的に不可能であった様々に核融合反応が起きることが確かめられましな条件を試すことが出来るようになると期待た。しかも大変面白いことに、そうやって核されています。一つの負ミュオン当りの循環融合反応を引き起こした負ミュオンは反応後回数が300回になればミュオンを発生させるに自由になり、次々と重水素-三重水素反応をために必要なエネルギーと釣り合う（サイエ媒介する、いわば循環的な反応が起こることンティフィック・ブレークイーブン）と言わも分かったのです。東大チームはこの循環過れており、さらにこれを大きく超えられれば程で律速段階となるアルファ付着率（負ミュ実際のエネルギー源として利用可能になるかオンが核融合反応生成物であるアルファ粒子もしれません。

[ヘリウムの原子核]に束縛されて反応に寄与しなくなる確率）を、パルス状ミュオンを用いることにより実際に測定することに初めてミュオン触媒核融合

唐三彩の負ミュオン捕獲X線スペクトル

非破壊分析
考古学資料から生きた動植物まで、対象に損傷を与えることなくその構成元素の種類

産業利用や含有率を調べたい、という要求は広範な分

21世紀は脱石油、水素エネルギー利用

野に渡ります。この目的のために使われる手の時代と言われています。従来学術研究のみ法として最も普及しているものの一つに蛍光に使われてきたミュオンも、水素同位体としX線分析があります。これは分析対象にX線をて水素吸蔵材料の微視的な情報を提供する、照射して原子を励起し、その原子が励起状態ということで産業界の注意を引き始めていまから元に戻る際に放出する二次X線が元素のす。この他にも、前出の非破壊元素分析など種類を反映することを利用して分析を行なう

材料開発などでミュオンが役立つ局面は今後ものです。ところがこの手法にはナトリウム益々増えていくと予想されます。J-PARCミュより軽い元素に対して感度が悪く、またX線オン施設はこのような可能性に対しても大きの性質上、感度があるものについては対象のく開かれている、と言えるでしょう。

ごく表面の情報しか分からない、という欠点

J -PARC プロジェクトチーム
大学共同利用機関法人
独立行政法人ミュオンサブグループ

高エネルギー加速器研究機構 大強度陽子加速器推進部

日本原子力研究開発機構

URL: http://www.j-parc.jp/

量 子 ビー ム 応 用 研 究 部 門December, 2005