素粒子ミューオンの製造工場

革新的な技術でミューオン科学を推進します。

ミューオンとは

ミューオンは、電子と同じレプトンと呼ばれる素粒子のグループの一種です。ミューオンの質量は106メガ電子ボルト(MeV/c2)です。これは電子の200倍、水素の1/9の質量に相当します。 正電荷のミューオンは、物質中で軽い水素のように振る舞うことが知られてます。また、負電荷のミューオンは、原子核に捕獲されてミューオン原子を生成し、その中で重い電子として振る舞う性質があります。 また、ミューオンは不安定で、2.2x10-6秒の寿命で、負電荷ミューオン(正電荷ミューオン)は、電子 (陽電子) とニュートリノと反ニュートリノに崩壊します。正電荷(負電荷)ミューオンの崩壊で発生した陽電子(電子)はスピン方向(スピンと反対方向)に出やすいというような特徴があります。したがって、陽電子(電子)の放出方向から、ミューオンのスピンの方向がわかります。

ミューオンは、陽子と物質との衝突により生成されたパイオンが崩壊することにより生成されます。たとえば、自然界では、宇宙を漂う陽子が大気圏に衝突してミューオンを生成し、それらのミューオンがたくさん地上に降りそそいでいます。これを宇宙線ミューオンと言います。一方、ミューオンを人工的に作る場合は、高エネルギーの陽子ビームを標的に当てることによってパイオンを生成し、それからミューオンを生成します。上記のミューオンの特異な性質からミューオンは広い分野で利用されています。

MuSICとは

日本初の連続時間構造を持つ大強度ミューオンビーム施設が大阪大学核物理研究センターに建設されています。このプロジェクトは、MuSIC(MUon Science Innovative muon beam Channel)計画と名付けられています。 右の図は現在のMuSIC全体の配置図です。MuSICはミューオン生成装置とミューオンビームラインにより構成され、核物理研究センター西実験室に建設されました。このMuSIC計画は、大阪大学大学院理学研究科の久野研究室と核物理研究センターが中心となって、高エネルギー加速器研究機構の協力で進めています。

MuSICは、日本初の連続時間構造(DC)ミューオンビーム施設です。茨城県東海にあるJ-PARC物質生命科学実験施設のMUSEミューオン施設が提供するパルス時間構造のミューオンビームと協力して、ミューオン科学の新しい時代を展開します。

MuSICの心臓部:超高効率ミューオン生成装置

一般に、ミューオン生成量は陽子のビームパワー(エネルギーと電流の積)に比例します。核物理研究センターの陽子サイクロトロンは、400MeVで最大1μAまでの陽子ビームを供給できますので、陽子ビームのビームパワーは高々0.4kW です。これは、MUSEが利用するシンクロトロン加速器(RCS)の陽子ビームパワーの0.04%です。MuSIC では、この決して大パワーとはいえない陽子ビームを利用して、世界最高強度のDCミューオンビーム源の実現を目指しているというユニークな施設です。そのために、超伝導電磁石技術を用いた新たな方法で効率よくミューオンを生成する新型ミューオン生成装置を開発し、世界で初めてその実用化に成功しました。

その要の技術が、超伝導ソレノイドを用いた大立体角の「パイオン捕獲部」という独創的なアイデアです。通常、パイオン捕獲用電磁石は生成標的からある程度距離を置いて設置されます。一方、MuSICでは、長いグラファイトで構成されたパイオン生成標的を強いソレノイド磁場(3.5テスラ)内に設置することで、従来の1000倍以上の効率でミューオンを生成します。この新しいミューオン生成手法により、RCNPにおいて、108ミューオン/秒のミューオンを発生することが可能となりました。

MuSICでは、パイオン崩壊から発生したミューオンは、湾曲型超伝導ソレノイドからなる「ミューオン輸送部」により実験装置へと輸送されます。この部分の重要な役割は、粒子の電荷と運動量を選択し、高純度のミューオンビームに加工することです。湾曲したソレノイドビームチャンネル中を粒子が進むと、湾曲面の法線方向に粒子がドリフトすることが知られています。このドリフトの向きと大きさは、粒子の電荷と運動量の大きさなどによる。さらに、ドリフト方向と平行成分の補正磁場を加え、その向きと大きさを調節することにより、輸送する粒子の電荷と運動量を選択することが可能です。

新ミューオンビームライン:MuSIC-M1

MuSICの高効率ミューオン生成装置から取り出された大強度ミューオンビームを使い、核物理研究センターで新しくミューオンを使った研究開発を展開しようと準備を進めています。

そのために、超伝導ソレノイド電磁石の下流にミューオン実験用の新しいビームラインMuSIC-M1ビームラインを2013年に建設しました。このMuSIC-M1は、偏向電磁石、四重極電磁石、DCセパレーターから構成される全長18メートルの常伝導電磁石によるビームラインです。

現在、目標のビーム性能を達成するためにビームラインの調整を進めています。また、ビームライン出口には、物性研究用のミューオンスピン回転測定装置を設置し、物理実験の準備も進めています。

MuSIC-M1ビームラインのビーム性能(目標値)

ビーム粒子 正電荷ミューオン 負電荷ミューオン 電子・陽電子
時間構造 連続 連続 連続
典型的な運動量 29MeV/c (最大80MeV/c) 60MeV/c (最大80MeV/c) 60MeV/c (最大80MeV/c)
運動量幅 ~5% ~5% ~5%
ビームサイズ Φ10mm ~Φ50mm ~Φ50mm
角度広がり 50mrad 200mrad -
ビーム強度 1x105/秒 2x104/秒 -
偏極度 100% 50% -