室温ミュオニウムの大量生成に成功

-ミュオン異常磁気能率・電気双極子能率の超精密測定による「標準理論の綻び」検証に近づく-

平成26年9月18日

大学共同利用機関法人 高エネルギー加速器研究機構
独立行政法人 理化学研究所
J-PARCセンター
TRIUMFカナダ国立素粒子原子核研究所



【本研究成果のポイント】
・シリカエアロゲルにレーザー穴加工を施すことにより、室温で真空中に生成するミュオニウム収量を、既存の技術で生成できる量の約10倍に増加
・大量のミュオニウムが生成可能になり、それから作られる超低速ミュオンビームの強度がミュオン異常磁気能率・電気双極子能率の精密測定による「標準理論の綻び」検証に必要なレベルに到達。これにより標準理論を超える「新しい物理現象」を発見できる道を切り開くと期待
・ミュオン顕微鏡への基盤技術応用により、物質・生命科学領域における極微試料、微細構造研究や表面・界面研究の可能性を飛躍的に広げると期待


【概 要】

大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構(KEK)、独立行政法人理化学研究所、TRIUMFカナダ国立素粒子原子核研究所などの研究者で構成される実験グループは、ミュオニウム※1の真空中への大量生成を室温で可能にする技術の共同開発に成功しました。

ミュオニウムは反・素粒子の一種である正ミュオン※2と電子が電磁力で結びついた複合粒子で、陽子と電子が電磁力で結びついた水素原子に似ています。室温で生成されたミュオニウムは殆ど静止状態で作られます。そのミュオニウムから電子を剥ぎ取って得られる超低速ミュオンを速やかに加速することで、いつまでも拡がらない、極めて指向性がよいミュオンビームができます。このビームにより、ミュオンの異常磁気能率※3(g-2)および電気双極子能率※4(EDM)という素粒子ミュオンの基本的性質を超精密に測定することが可能です(図1)。また一方では、このビームは物質中の狙った位置に精度よく止めることも可能で、ミュオンスピンの磁気感受性を利用して、物質内磁場を精密に観測することもできます(ミュオン顕微鏡※5)。

とくにg−2は2004年に発表された実験結果が素粒子の標準模型より3標準偏差以上大きいことが報告され、新しい物理法則の兆候と解釈する論文も多く発表されたため、全く違う方法で行う超精密実験の実現が待たれています。またEDMについては、ゼロで無ければ時間反転対称性※6が破れていることを意味しますが、それは素粒子の世界の定理によると粒子・反粒子の対称性(CP対称性)を破ることになるため、Belle実験で証明された小林・益川理論だけでは説明できない新たなCP対称性の破れを検証する実験として注目されています。しかしながら、極めて指向性がよいミュオンビームは、ミュオニウムから電子を剥ぎ取るという煩雑なステップを経ないと得られないため、精度の高い実験を行うために十分な量が簡単に得られない点が懸念されていました。

今回開発した技術は、形状が安定したシリカエアロゲルにレーザー穴加工を施すことにより、室温の熱エネルギーを持つミュオニウム、すなわち室温ミュオニウムの収量を、既存の技術で生成できる量の約10倍に増加させるものです。

今回の研究成果により、大量のミュオニウムが生成可能になり、ミュオニウムから作られる超低速ミュオンの強度がJ-PARCで計画中のミュオンg-2およびEDMの精密測定に必要なレベルに近づきました。g-2およびEDMの精密な測定は、「標準理論の綻び」の検証につながるため、今回の成果は、標準理論を超える「新しい物理現象」を発見できる道を切り開き、かつミュオン顕微鏡の性能向上を通じて物質・生命科学を一段と前進させるものと期待されます。

この研究成果は、Progress of Theoretical and Experimental Physicsに受理され、 9月12日(現地スケジュール)に掲載されました。

【背 景】

素粒子の標準理論は素粒子が関与する様々な物理現象のほとんど全てを説明することができます。しかし、実験の測定精度が高くなるにつれて標準理論の綻びが見え始めてきました。標準理論の綻びは、未知の新粒子や相互作用があるためと考えることができ、さらに、それらの粒子は現代物理学の謎(暗黒物質の素性や物質が反物質より優勢な宇宙の起源)を解明する鍵の一つとなり得るとされるため、その検証には大きな期待が寄せられています。

ミュオンはスピンという地球の自転に似た物理的性質をもち、磁場の影響を受けるとスピンは回転し、その回転軸が磁場の軸の周りに円を描くような運動(歳差運動)をします。その影響の受けやすさを表す定数を「磁気能率」と呼びます。磁気能率のうち、異常磁気能率(g-2)と呼ばれる値は、標準理論から極めて精密に計算ができる効果であるのみならず、未知の物理現象による効果も顕著にあらわれ得ると考えられています。したがって、異常磁気能率を精密に測定することによって標準理論を超える「新しい物理現象」が発見できると期待されているのです。

ミュオンの異常磁気能率は、米国ブルックヘブン国立研究所のE821実験グループによって最も高い精度で測定されており、標準理論の予想値とわずかながら有意な差があることが報告されています。この差は非常に微小であるため、測定は高精度で行われなければなりませんが、今日まで他の実験では検証されていません。このE821実験グループの手法は、ミュオンの運動量拡がりが大きいため、電場による収束が必要であり、この余分な電場の影響による系統誤差を抑えるために、特定の運動量で測定する必要がありました。一方、本研究の手法によれば、室温という低い温度でミュオンを生成することで、ミュオンの運動量拡がりが極めて小さくなります。このため電場による収束が必要なく、測定装置デザインが特定の運動量に縛られないという利点があり、米国の実験グループと相補的な検証ができると期待されています。

また、本研究の手法では同じ実験データを用いて、電気双極子能率(EDM)も測定できます。EDMがゼロでないことが発見されれば、時間反転対称性が破れているということになり、物質が優勢である現在の宇宙の成り立ちを解明する大きな鍵となるため、この値の精密な測定も重要です。

【研究内容と成果】

本研究では、以下のようなこれまでにない新しい手法により真空中への室温ミュオンの生成を実現しました。

室温程度の低い熱エネルギーしか持たないミュオンを作るためには、まずミュオンビームをシリカエアロゲル標的に打ち込んでミュオニウムを生成する必要が在ります。高精度測定のためには、この超低速ミュオニウムが大量に必要ですが、これまでの手法では、ミュオンビームからミュオニウムを作る過程で、その収量が約0.5%にまで減ってしまうことが分かっていました。これは高精度測定を行う上での大きなボトルネックです。

そこで研究グループは、まず、ミュオンビームをシリカエアロゲル標的に打ち込み、生成されるミュオニウムの数を測定する実験を行い、無加工のシリカエアロゲル標的で行った測定の結果から、ミュオニウムがシリカエアロゲル内で拡散する距離を求めました。そして、その距離と同じオーダーの大きさ、ピッチの穴を開ければ、ミュオニウムが壊れる前にその穴から真空中に出る確率が上がると考えました。いろいろな加工方法を試した結果、理化学研究所の大石裕協力研究員が提案・実施した、レーザー加工法がシリカエアロゲルに規則的にしかも深い穴をあけるのに最も適していることが分かりました(図2)。

その結果、レーザー加工を施す前後で、ミュオニウムの生成量が約10倍に増加することが明らかになり(図3)、先行して行われた米国のBNL E821実験の検証が可能な統計精度を出せるレベルの大量のミュオンが生成できることが分かりました。

これまで、ミュオニウムを生成して、超低速ミュオンを得るには、約2000度の高温に熱したタングステンからの放出を用いる方法が、まずKEKで、その後理研RAL支所のミュオン実験施設で開発されてきましたが、温度が高いとビームが広がりやすくなるため、異常磁気能率の実験に用いる場合、効率の悪さが問題となってきました。このため、常温でも高温タングステンと同等かそれ以上にミュオニウムを生成できる物質が得られたことは、大きな意義があります。

【本研究の意義、今後への期待】

超低速ミュオンを用いた測定方法が確立できると、ミュオン異常磁気能率のズレおよび電気双極子能率を従来とは全く異なる形で検証することができます。ミュオン異常磁気能率のズレの有無が検証できれば、E821実験の結果を支持して標準理論を超える物理現象の存在の有無を予言する、あるいは逆に測定の範囲では存在しない、という結論を導くことができます。今回の結果によりJ-PARC ミュオン g-2/EDM実験の実現のための大きなマイルストーンが達成されたと考えられます。今後は、シリカエアロゲル表面のレーザー加工時に、穴の径の大きさ、ピッチなどのパラメータを調整し、実験手法を最適化して、収量のさらなる増加を目指します。本研究の成果により、超低速ミュオン顕微鏡開発においても、単純計算で数十倍の面積集光効率向上をもたらすことが同時に期待されます。ミュオンビームの高性能化・高強度化を通じて、物質・生命科学領域における極微試料、微細構造研究や表面界面研究を飛躍的に広げる可能性を秘めた基盤技術研究です。

※なお、本研究は文部科学省 科研費新学術領域研究「超低速ミュオン顕微鏡が拓く物質・生命・素粒子科学のフロンティア」(代表者 鳥養映子)の助成を受け、ビクトリア大学、独立行政法人理化学研究所、東京大学、大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構(KEK)、千葉大学、高麗大学、TRIUMFカナダ国立素粒子原子核研究所の共同研究として実施されました。


【お問い合せ先】

<研究内容に関すること>
独立行政法人 理化学研究所
仁科加速器研究センター 副主任研究員 石田 勝彦
Tel: 048-467-9353
Fax: 048-462-4648
E-mail: ishida@riken.jp

大学共同利用機関法人 高エネルギー加速器研究機構
素粒子原子核研究所 准教授 三部 勉

<報道担当>
大学共同利用機関法人 高エネルギー加速器研究機構
広報室長 岡田 小枝子
Tel: 029-879-6046
Fax: 029-879-6049
E-mail: press@kek.jp 

独立行政法人 理化学研究所 広報室 報道担当
Tel: 048-467-9272 
Fax: 048-462-4715
E-mail: ex-press@riken.jp

【用語解説】

※1 ミュオニウム
電子とミュオンの束縛状態。水素原子の陽子が、ミュオンに置き換わった粒子。超低速ミュオンの生成には熱速度程度のミュオニウムが用いられる。

※2 ミュオン
素粒子の1つ。レプトン第二世代の粒子。

※3 異常磁気能率(g-2)
磁気能率は素粒子の持つ固有の性質の一つでスピンに伴う物理量。ボーア磁子と無次元量g因子との積で表される。仮想光子の量子効果を含めない場合、g=2。仮想光子の量子効果によって、一般には磁気能率はg=2からずれる値をもつことが分かっている。これを「異常磁気能率」と呼ぶ。未知の新粒子もこの値のずれを引き起こす。

※4 電気双極子能率
大きさが等しい正負の電荷が空間的に離れて存在することによって生じる電荷分布の偏りを表す物理量。空間反転および時間反転対称性を破ることが知られている。CPT定理を用いると、CP対称性を破ることを意味するため、新しいCP対称性の破れの起源を探索する方法として期待されている。素粒子の電気双極子能率は標準模型で極めて小さい値が予想されており、現在までに有限の値は測定されていない。

※5 ミュオン顕微鏡
ミュオンビームを用いた顕微鏡のこと。ミュオンを用いることで電子顕微鏡などでは得られない物質の磁気的性質に関する微細イメージを取得することができる。現在J-PARC物質・生命科学実験施設で建設が進められており、極微試料、微細構造研究や表面・界面研究の可能性を飛躍的に広げると期待されている。

※6 時間反転対称性
物理的対象に対して時間の向きを反転したときの対称性のこと。多くの物理現象は時間反転対称性を有する。CPT対称性を仮定すると、時間反転対称性を破る現象は、CP対称性も破れている必要がある。

図1 J-PARCでの異常磁気能率(g-2)、電気双極子能率(EDM)の精密測定概念図

図2 レーザー加工されたシリカエアロゲル。左:表面付近の様子。400μm間隔で穴が空けられている。右:全体形状

図3 ミュオニウムが陽電子・ニュートリノ・反ニュートリノと電子に崩壊した際に放出された陽電子の時間分布。標的からの距離によって分けた4つの領域について調べた結果を示す。◯が無加工のシリカエアロゲル、●が加工したシリカエアロゲルを使った場合を表す。標的から離れた位置(Region1、2、3)で、放出された陽電子の数(=生成されたミュオニウムの数)が、加工後の方が大幅に増加していることが分かる(赤い矢印)。

関連サイト

新学術領域研究「超低速ミュオン顕微鏡が拓く物質・生命・素粒子科学フロンティア」
高エネルギー加速器研究機構 ミューオン精密測定研究
理化学研究所 仁科加速器研究センター 岩崎先端中間子研究室
J-PARCセンター
J-PARC物質・生命科学実験施設(MLF)
TRIUMFカナダ国立素粒子原子核研究所
東京大学 齊藤研究室 / 総研大 ミューオン精密測定研究室
千葉大学 高エネルギー物理学実験研究室
高羅大 素粒子物理研究室
ビクトリア大 高エネルギー物理グループ

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