ユニットテーマの軸「素過程・相互作用」公聴会
2022年1月24日(月)ユニットテーマ『ミュオンと核融合科学の融合』

軸

素過程・相互作用軸

装置学・技術岡田 信二（中部大学）

核融合としての課題

2○ 核融合のテーマとして何にチャレンジするか？
Muon Catalyzed Fusion『ミュオン触媒核融合 (μCF)』という新しい核融合をテーマに、核融合研究の基盤拡充にチャレンジ○ 背景： 近年、ミュオン触媒の効率を引き上げる

新たな素過程の可能性「In-flight μCF」(IFμCF)が、理論的に見いだされた。

○ 課題： IFμCF 素過程の検証、及び、効率的なμ生成・μCF標的に関する技術基盤開発

学際的な特徴付け（何の研究か?）
素粒子「ミュオン」の持つ、以下の３つの特異な性質を利用した多彩な学際領域研究：①量子的性質 , ②強い結合力 , ③高い透過力①

ミュオン
原子・分子科学

物質科学に普遍的に潜在する原子分子過程の研究

②

ミュオン
触媒核融合

新たなμCF過程(IFμCF)、及び、これを高める反応場の研究

素過程・相互作用 軸③

宇宙線ミュオン
応用

革新的宇宙天気予報を目指した
宇宙線ミュオンの応用研究

3

アプローチ
① ミュオン原子・分子科学(a) 革新的分光技術の導入(b) 新しいミュオン原子分光手法(c) ミュオン『分子』高精度分光4

(a) 革新的分光技術の導入(FWHM ~ 150 eV)

優れたエネルギー分解能と検出効率を併せ持つ検出器(FWHM ~ 5 eV)@ ~ 6 keV

高感度温度計X線 TESTES microcalorimeters
1. 入射粒子が吸収体に吸収される
2. エネルギーΔEはフォノンに変換
3. 僅かな温度上昇を高感度温度計
TESで測定する

吸収体

ヒートシンクTransition Edge Sensor
R0~50 mΩ常伝導状態
抵抗 R0/Rn

従来の検出器 (SDD)

TESマイクロカロリメータ

5粒子(光子)の入射バイアス点

超伝導状態

急激に抵抗増加
抵抗変化(バイアス電流)の変化をSQUIDで読み出す

僅かな温度上昇
温度 T [mK]

高分解能を実現 (ΔE / E ~ 10-3)

(b) 新しいミュオン原子分光手法

6PRL127, 053001 (2021)
周期表

Mn ?
ミュオン原子(μFe)
Fe

μ-

軌道半径が200分の1まで小さくなる

e-Fe

電子の軌道

ミュオン原子形成過程(数十フェムト秒) を反映

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原子脱励起中にみると遮蔽具合が変化✓ 『原子形成過程』の全貌を捉えることが可能

カウント数 / 3 eV

遮蔽

電子特性
Ｘ線

eμ-電子

電子質量の200倍
μ-175
150
125
100
75
50250

エネルギー [keV]

6.0Mn
Kα6.5Mn
KαhMn
KβFeKα(c) ミュオン『分子』高精度分光
通常の分子D2+0ミュオン分子~1 nm

e-d~0.005 nm

0dμ-dEnergy (eV)

๏核間距離 1/200倍
紫外線15d0.0

0.20.4D(1s) + de-

解離0.60.81.0d

๏エネルギー 200倍๏dとμの質量が近く断熱近似成立しない
๏ddμ*は零点振動が大きく準位間隔が疎

1.2d-d distance (nm)断熱近似の破れ「非断熱性」はあらゆる分子過程に普遍的Energy (keV)

dde*
dde*

10ddµ(n=2) + dD(n=2) + d
57

1ddµ*
ddμ*

2

X線
X線

(1.7〜1.97 keV)
3d0.0

1.02.0dµ(1s) + dμ-

解離3.04.05.0d6.0d-d distance (pm)μ導入により顕在化させ検証できる✤理論：原子核と重い負電荷粒子の運動を同時に解く厳密な少数多体系計算が要求される。

✤実験：ミュオンビーム中のＸ線測定において非常に高いエネルギー分解能
実験/理論の両面で未踏の領域

(c) ミュオン『分子』高精度分光
D2+0理論e-55d454332211001500

カウント数

counts / 1 eV (TES), counts / 5 eV (SDD)

Energy (eV)

61015

d0.0

0.2

0.4

D(n=2) + d
検出器応答関数を考慮
dde*
1700

1800

1900

2000

2100

TES2200๏核間距離 1/200倍d2300

dµ(n=2) + dddµ*
ddμ*

12400

2500

๏エネルギー 200倍
予想2紫外線SDD300
スペクトル
ΔE = 150 eV
๏dとμの質量が近くD(1s) + d250100dΔE = 5 eV350150μ-

ΔE : FWHM
分解能

dde*
1600~0.005 nm

0d400

e-2000.6

ミュオン分子

~1 nm

6Energy (keV)

強度 (arb. unit)

通常の分子7(1.7〜1.97 keV)

断熱近似成立しない

共鳴励起ミュオン分子dμ原子からの解離Ｘ線d ๏ddμ*は零点振動が解離0.8w

X線
X線

3d

X線
大きく準位間隔が疎(2p-1s)

ddμ*→ dμ(1s) + d + hν
1.0 1.20.0

1.0

2.0dµ(1s) + dμ-

解離3.04.05.0

d6.0

d-d distance (pm)

50 (nm)d-d distance0断熱近似の破れ「非断熱性」はあらゆる分子過程に普遍的1500 1600 1700 1800 1900 2000 2100 2200 2300μ導入により顕在化させ検証できる
2400 2500

1.6

1.8

2.0

2.2

2.4 [eV]
Energyエネルギー [keV]✤理論：原子核と重い負電荷粒子の運動を同時に解く厳密な少数多体系計算が要求される。

✤実験：ミュオンビーム中のＸ線測定において非常に高いエネルギー分解能
実験/理論の両面で未踏の領域

アプローチ

8② ミュオン触媒核融合(a) ミュオン源
大強度ミュオンビーム

μ-(b) ミュオン標的(c) 素過程の理解

高密度・定常循環

nt

d

μ-

(a) ミュオン源開発 (イオン源/加速器)(b) μCF標的開発 (定常循環型標的)(c) 素過程に関する理解

4He

軸

装置学
・技術

素過程・相互作用

ミュオン触媒核融合「新たな素過程」
従来（Vesman 機構）

tμ(1s)

新たな素過程 (IF-μCF)tμ*

μ-dtμ* 分子共鳴状態(2s, 2p混合状態)

μ-dt
dt fusionμ-分子内で核融合dt

解離

1 keV tμ原子tμ(1s)

μ-dt
10000

In-flight μCF : 高い断面積tɤ + d → 4He + n + ɤ + 17.6 MeVn4Heμ-

他のD2ガスに衝突し高い断面積で「In-flight」による核融合を起こす

反応断面積 [barn]

1000
100
D + T → 4He + n + 17.6 MeV

1010.10.01

0.1110100
衝突エネルギー [keV]1000

AIP Conference Proceedings 2179, 020010 (2019)9IF-μCF 素過程の研究
従来のμCFサイクル

10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

tµdµ2.0ct = 0.1ct = 0.2ct = 0.4VMα+n+µ

新しいμCFサイクルdµ*EVM-SPM-FIF

EVM-SPM-FIF

0.5

EVM-SPM VM-SPM-FIF

EVM-SPMEVM-SPM

VM-SPM-FIF

VM-SPM-FIF

0.0

ct = 0.5

2.0

EVM-SPM-FIF

ct = 0.7

ct = 0.8

1.5
VM

1.00.5tµ*IF
M-F-SP
M
EV

1.0

VM-SPM-FIF

−1

αµ+n

VM

EVM-SPM-FIF

PM-S
EVM
VM

EVM-SPM-FIF

EVM-SPM
VM-SPM-FIF

M-SP
EVMVM

˙dtµ

µCF cycle

VM

1.5

Normalized cycle rate (108 s–1)µ

VM-SPM-FIF

0.0dµtµ0

IFµCF cycleµµCF cycle

αµ+nα+n+µdtµ200400600800 0200400600

Temperature (K)dtµ*hot dµhot tµ800 0200400600800

論文投稿済（東北大：山下・木野 他）
FIG. 3

FIG. 2. Normalized
cycle rates calculated in this work are compared
従来のμCFサイクルでは説明できなかったwith 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).

直接的な実験検証を目指す

kinetithe fupopu(ddμ* 精密分光実験はその第一歩)injec

学際的展開ミュオン触媒核融合(μCF)

11

ミュオンの持つ特異な性質：

核融合の意義核融合科学の基盤強化
共通焦点

核融合科学

μ1. 量子的性質
2. 強い結合力
3. 高い透過力

ミュオンを用いた多彩な分野への拡がり
焦点

エキゾチック原子分子科学
新しい分光学

災害予知・宇宙天気独自性・優位性など

12

国際的に極めて優位な位置にある：
๏理論：「少数多体量子理論・原子分子データベース」
๏実験：「超伝導検出器を用いたビーム実験研究・宇宙線ミュオン研究」
๏工学：「イオン源 (NBI)・レーザー加速研究」
を最大限に活かし、新規領域を開拓する。
✓素過程・相互作用
２つの軸：
にて提案。
✓装置学・技術
近年、IFμCF という新過程の可能性が拓かれ気運が高まってきた。
「原子分子研究」と「μCF 研究」を、NIFSユニットにおいて同時に進めることでシナジー効果が得られ、新しいμCF過程をはじめとする、「核融合研究を豊かにする」革新的な研究を世界に先駆けて展開する。