J-PARC
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       プレス・リリース 〜 08-19 〜 For immediate release:2008年09月26日
   
 
J-PARCで最初のミュオンビームの発生に成功
   
J-PARCセンター 
   
茨城県東海村に建設中の大強度陽子加速器施設J-PARC※1では、平成20年9月26日12時10分、物質・生命科学実験施設(MLF)において、ミュオンビーム※2の発生に成功した。今後12月以降の調整運転及び試験的利用を経て、平成21年4月より本格的なミュオンビームの利用が開始される予定である。電荷をもつ素粒子であるミュオンは、物質に入射することで、物質のナノスケールでの電磁気的性質を解明するための有効な手段となる。本格稼働後は、物性物理学や原子分子物理学の分野における基礎的研究の推進のみならず、磁性材料、燃料電池の開発研究や負ミュオン特性X線非破壊元素分析※3等、様々な分野の産業発展につながる物質・生命科学研究に利用される予定である。
 
● 概要
ミュオンは、湯川秀樹博士がその存在を予言した中間子※4が崩壊してできる素粒子である。独立行政法人日本原子力研究開発機構(理事長 岡崎俊雄 以下「原子力機構」)と大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構(機構長 鈴木厚人 以下「高エネ機構」)の共同運営組織であるJ-PARCセンター(センター長 永宮正治)では、平成20年9月26日12時10分、光速近くまで加速した陽子ビームを黒鉛(炭素)製の標的に入射して中間子を造り出すことにより、ミュオンのビームを発生させることに成功した。(補足資料2
 
MLFに建設されたミュオン実験施設は、これまで人工的に発生させたミュオンを実験に利用することが国内で唯一可能であった高エネ機構・物質構造科学研究所のミュオン科学研究施設(MSL)の後継にあたり、MSLと原子力機構・先端基礎研究センターからなるJ-PARCミュオンセクションによって、平成15年から5年間にわたり建設が進められてきたものである。
 
J-PARCのMLFでは、標的の表面で発生したミュオンは、ビームラインと呼ばれる実験装置を通して、種々の実験を行うための実験エリアへと輸送される。今回ミュオンの輸送に成功したのは"崩壊ミュオンビームライン"と称されるラインであり、超伝導ソレノイド※5を用いて、様々なエネルギーのミュオンを発生源から実験エリアまで輸送することが可能である。(補足資料3
 
電荷をもち、磁気的性質を敏感に捉える素粒子であるミュオンは、物質のナノスケールでの磁気構造や機能の解明に利用されるほか、物質中に含まれる水素の状態や働きを解明するための有力な手段でもある。本格的に稼働した際には、MSLに比して2桁以上の強度をもつミュオンビームを発生することが可能となるため、物性物理学や原子分子物理学、素粒子物理学、原子核物理学等における基礎的研究の推進のみならず、磁性材料、燃料電池の開発研究や負ミュオン特性X線非破壊元素分析等、様々な分野の産業発展につながる物質・生命科学研究での利用展開が予定されている。
 
 
  【関連サイト】 J-PARC webページ
日本原子力研究開発機構
     
  【本件に関する問い合わせ先】  
  J-PARCプロジェクトについて
 J-PARCセンター
  副センター長 大山 幸夫
    TEL:029-282-6809
報道担当
 独立行政法人 日本原子力研究開発機構
  広報部報道課長 西川 信一
    TEL:029-282-9421
  技術的内容について
  J-PARCセンター
   ミュオンセクション 西山 樟生
    TEL:029-864-5611
 高エネルギー加速器研究機構
  広報室長 森田 洋平
    TEL:029-879-6047
 

 
 【用語解説】
 
※1 大強度陽子加速器施設(J-PARC)
  平成13年より、原子力機構と高エネ機構が共同で茨城県東海村に建設している陽子加速器施設と利用施設群の総称。
加速した陽子を原子核標的に衝突させることにより発生する中性子、ミュオン、中間子、ニュートリノなどの二次粒子を用いて、物質・生命科学、原子核・素粒子物理学などの最先端学術研究及び産業利用が行われる予定。
平成20年5月30日には、物質・生命科学実験施設(MLF)においてJ-PARC初の中性子ビームの発生に成功。
 
※2 ミュオンビーム
  ミュオンは、電子と同じレプトン(軽粒子)の仲間に属する素粒子で、天然には宇宙線として地球に降りそそいでいる。正と負の電荷をもつミュオンが存在し、負の電荷をもつミュオンは多くの点で電子と同じ性質を持つが、質量は電子のおよそ200倍、陽子のおよそ9分の1であり、正の電荷をもつミュオンは物質中では水素の原子核の同位体のように振る舞う。
なお、MLFで造り出されるミュオンは、エネルギーが揃った正電荷を持つミュオンのビームであり、炭素で1mm、銅で0.1mm程度の薄い実験試料に止めることができる。試料に入射したミュオンは原子と原子の間で止まり、その場の磁場を受けながら崩壊して陽電子を放出する。この陽電子を調べることで物質中の微小な磁場を解明する手法をμSRと呼ぶ。
 
※3 負ミュオン特性X線非破壊元素分析
  電子を照射された原子は、元素の種類に応じたX線(特性X線)を放出する。この特性X線を用いた物質表面の元素分析は広く活用されているが、特性X線のエネルギーが弱いため、物質内部の元素分析には適さない。一方、電子の代わりにその200倍の質量をもつミュオンを用いると、原子が放出する特性X線のエネルギーが桁違いに高くなり数mm〜数cmという厚みを貫通することが可能となるため、非破壊で試料内部の元素分析を行うことが可能となる。
 
※4 中間子
  1934年に理論物理学者の湯川秀樹によって存在を予言され、1947年に宇宙線の中から発見された粒子。核力を媒介し原子核中の陽子と中性子を結合させている粒子であり、電子よりも重く核子(陽子や中性子)より軽い粒子であることから中間子の名が付けられた。なかでももっとも軽量な中間子がパイ中間子であり、約5千万分の1秒でミュオンに崩壊する。
なお、湯川秀樹は1949年に日本人として初めてのノーベル賞を受賞した。
 
※5 超伝導ソレノイド
  高速の陽子が標的に衝突して生じるパイ中間子の飛行方向を揃えるための、強力な超伝導磁石。ソレノイドとは、導線を円筒状に均一に巻いたコイルのことで、超伝導ソレノイドはパイ中間子を効率よくミュオンに変換するために距離の長い強い磁場を作るためのもの。MLFの超伝導ソレノイドはコイルの全長が6mあり、地磁気のおよそ10万倍に当たる5テスラという強い磁場を形成することができる。
 

 
【補足資料】
資料1)J-PARC全景(航空写真)
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資料2)陽子加速器によるミュオン発生のしくみ(模式図)
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資料3)ミュオン実験装置の概要
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図3-1 ミュオン実験施設の模式図
左手から高速の陽子ビームがミュオン生成標的に入射し、標的中にパイ中間子が生成する。パイ中間子は超伝導ソレノイド中を運ばれる間に崩壊してミュオンに変わり、ビームラインの中を実験設備まで輸送される。陽子ビームは最後に中性子源に止まり中性子発生に用いられる。
 

 
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図3-2 ミュオン生成標的のしくみ(概念図)
 

 
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図3-3 ミュオン生成標的の真空容器(写真左)と黒鉛(炭素)製の標的(写真右)
(写真右)黒い部分が黒鉛でできた標的。周囲は銅製で、冷却水の配管が埋め込まれている。
 

 
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図3-4 崩壊ミュオンビームライン
写真左では上、写真右では左上側に見える壁の向こうにミュオン生成標的がある。標的表面で発生した中間子ビームは超伝導ソレノイド(黄色)を通りながら崩壊してミュオンに変わり、その先に続くビームラインの中を導かれて実験装置へ至る。
 

 
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図3-5 超伝導ソレノイド
超伝導ソレノイド(長さ約6m)の搬入の様子。
 

 
資料4)ミュオンによる物質の微小な磁場測定のしくみ
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資料5)初のミュオンビームにより得られたデータとその説明
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図5-1 ミュオンビームとスクリーンの間に障害物を置いて撮影したミュオンプロファイル象
 

 
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図5-2 Alをサンプルとして測定した、磁場30G下でのMuSR回転スペクトルのデータ
 

 
資料6)喜びに沸く関係者一同
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