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数物系科学

2024.05.17

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~

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。

 

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黒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。

 

◆詳細(プレスリリース本文)はこちら

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【用語説明】

※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。

 

【研究代表者】

素粒子宇宙起源研究所 飯嶋 徹 教授
https://www.hepl.phys.nagoya-u.ac.jp