マッハ衝撃波干渉領域での飛行中ミュオン触媒核融合の創生

2020 Fiscal Year Annual Research Report

• Project Area: Toward new frontiers : Encounter and synergy of state-of-the-art astronomical detectors and exotic quantum beams
• Project/Area Number: 18H05461
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 木野 康志 東北大学, 理学研究科, 准教授 (00272005)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 山本 則正 中部大学, 工学部, 准教授 (40350326) ; 佐藤 元泰 中部大学, 工学部, 特任教授 (60115855) ; 棚橋 美治 中部大学, 工学部, 教授 (60804094) ; 岡 壽崇 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究部門 原子力科学研究所 原子力基礎工学研究センター, 研究副主幹 (70339745) ; 岡田 信二 中部大学, 工学部, 准教授 (70391901)
• Project Period (FY): 2018-06-29 – 2023-03-31
• Keywords: ミュオン / 核融合 / 衝撃波 / ラムジェット / 原子衝突 / 小数多体系 / エキゾチック原子 / ミュオン触媒核融合

Outline of Annual Research Achievements

前年度に引き続き、従来のミュオン触媒核融合（μCF）に飛行中ミュオン触媒核融合（IFμCF）の効果を組み合わせたDμCF (Dual μCF)に関する理論計算を進めた。DμCFで重要な役割を果たすミュオン分子共鳴状態dtμ*（dμ(1s) + tの解離しきい値より2 keV上の準安定状態）を含むμCFサイクルの反応速度を、シミュレーション計算とこれまでの実験結果との比較により再検討し、dtμ*形成の必要性を明らかにした。dtμ*は、X線を出して解離する。dtμ*の形成を証明するため、dtμ*解離に伴い放出される特徴的なX線のエネルギースペクトルを精密な三体理論により計算し、これから行われる実験に対して予言を与えた。
DμCFを実装するためのラバールノイズ中に形成されるマッハ衝撃波干渉領域は、空気力学的に中空に支えられた構造となる。これは従来のμCFや磁場浮上型の熱核融合と大きく異なる方式であり、ラバールノズルの臨界速度部における圧力の30倍程度まで圧力をあげられる。これを検証するためラバールノズルと衝撃波発生器を作成し、干渉領域について形状や密度など基礎データを収集するため圧力計等の計器を導入している。
2020年3月に行ったミュオン分子内核融合後に放出されるミュオン（再生ミュオンと呼ぶ）の直接測定のオフラインのデータ解析を行い、２σの確度で再生ミュオンの測定を確認した。この測定の次のビームタイムに備え、シミュレーション計算に基づき測定系や装置の設計やをおこなった。また、再生ミュオンの運動量測定のための装置の改造も行なっている。
再生ミュオン（平均運動エネルギー10 keV）を収集し輸送する、極低温環境下（数K）を撹乱せずコンパクトな装置（同軸輸送菅）を開発した。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

ミュオン分子共鳴状態ddμ*の理論計算が進みX線のエネルギースペクトルが精密に得られた。さらに、A01で実証された超伝導検出器（超伝導TESカロリーメータ）を用いたミュオン原子分子精密 X 線分光の技術を用いてミュオン原子のddμ*から放出されるX線のエネルギースペクトル測定も可能となり、この測定の準備を行なっている。
再生ミュオンのエネルギースペクトルの計算から、μCFサイクル率を左右する核融合生成物のHe原子軌道へのミュオンの捕獲（ミュオンステッキング）の直接測定も可能となった。
指導する学生が、日本物理学会2020年秋季大会 学生優秀発表賞（安田和弘）、原子衝突学会第 45 回年会 優秀ポスター賞（安田和弘）、東北大学理学・生命科学 2 研究科合同オンラインシンポジウム 2021 優秀ポスター賞（安田和弘）
の受賞があった。

Strategy for Future Research Activity

DμCFで重要な役割を果たすミュオン分子共鳴状態dtμ*について、dtμ*周囲の電子の影響も含めた正確な理論計算を行い、dtμ*の解離性崩壊により生成する1 keV程度の高いエネルギーをもつミュオン原子やX線の放出率やエネルギースペクトルの計算を行う。2021年度までに、(1) dtμ*のエネルギー準位、崩壊寿命、生成率の計算を行う。2022年度までに、IFμCFサイクルの素過程の計算を行い、DμCFサイクルのシナリオを完成させる。
マッハ風洞試作機を用いて干渉領域を安定に生成・維持しうるかの試験を行う。また、DμCFサイクルを想定したマッハ衝撃波干渉領域を含む核融合炉の理論設計を行う。2021年度までに、マッハ風洞試作機に、圧力計等の計器を導入し、マッハ衝撃波干渉領域の安定性に関する基礎データを得る。2022年度までに、試作機、理論チーム、ビーム実験チームからのデータを反映させて、DμCFを実現するラムジェットDμCF核融合炉の概念設計を終了する。
DμCFサイクル内の各反応素過程の反応率を決定するための実験をJ-PARCのミュオン施設にて行う。JPARCでのトリチウムを用いた実験は本研究期間内では困難となった。そこで、ミュオンステッキング割合が大きいddμ分子について、理論と実験によりステッキング反応機構のより詳細な理解を目指す。
2021年度までに (1) ミュオン分子内核融合後に再放出される再生ミュオンの運動量測定をおこなう。精密な理論計算による予測を行っており、実験との一致をみれば、原子核と原子分子の階層をまたがる過程を統一的に明らかにすることになる。(2) A01班と共同して超伝導TESカロリーメータによりddμ*、dμ*からのX線の測定を行う。2022年度までに(1) ddμ*の解離により生成する高エネルギーのdμの検出を行う。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Uppsala University/Stockholm University(スウェーデン)
  • Country Name: SWEDEN
  • Counterpart Institution: Uppsala University/Stockholm University
• [Journal Article] Towards prediction of the rates of antihydrogen positive ion production in collision of antihydrogen with excited positronium (2020)
  • Author(s): Yamashita T、Kino Y、Hiyama E、Piszczatowski K、Jonsell S、Froelich P
  • Journal Title: Journal of Physics: Conference Series Volume: 1412 Pages: 052012～052012
  • DOI: 10.1088/1742-6596/1412/5/052012
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Four-body calculation of energy levels of muonic molecule dtμe in muon catalyzed fusion (2020)
  • Author(s): Niiyama M、Yamashita T、Kino Y
  • Journal Title: Journal of Physics: Conference Series Volume: 1412 Pages: 222013～222013
  • DOI: 10.1088/1742-6596/1412/22/222013
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Towards prediction of the rates of antihydrogen positive ion production in antihydrogen-excited positronium reaction (2020)
  • Author(s): Yamashita T、Kino Y、Hiyama E、Piszczatowski K、Jonsell S、Froelich P
  • Journal Title: Journal of Physics: Conference Series Volume: 1412 Pages: 222001～222001
  • DOI: 10.1088/1742-6596/1412/22/222001
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] 陽電子原子の三粒子描像による高精度構造解析I：束縛状態 (2020)
  • Author(s): 山下琢磨, 木野康志
  • Journal Title: 陽電子科学 Volume: 15 Pages: 17-27
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] New Development of Negative Muon Eexperiments Using the Latest Detector Technology for Space X-ray and γ-ray Observations. From Atomic/Molecular Physics to Non-destructive Analysis (2020)
  • Author(s): T. Takahashi et al.
  • Journal Title: KEK Progress Repoert Volume: 2020 Pages: 27-28
  • Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] X-ray Spectroscopy of Muonic Atoms Isolated in Vacuum with Transition Edge Sensors (2020)
  • Author(s): Okada S. et. al.
  • Journal Title: Journal of Low Temperature Physics Volume: 200 Pages: 445～451
  • DOI: 10.1007/s10909-020-02476-5
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] External exposure dose estimation by electron spin resonance technique for wild Japanese macaque captured in Fukushima Prefecture (2020)
  • Author(s): Oka Toshitaka、Takahashi Atsushi、Koarai Kazuma、Mitsuyasu Yusuke、Kino Yasushi、Sekine Tsutomu、Shimizu Yoshinaka、Chiba Mirei、Suzuki Toshihiko、Osaka Ken、Sasaki Keiichi、Urushihara Yusuke、Endo Satoru、Suzuki Masatoshi、Shinoda Hisashi、Fukumoto Manabu
  • Journal Title: Radiation Measurements Volume: 134 Pages: 106315～106315
  • DOI: 10.1016/j.radmeas.2020.106315
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Development of a method for positron annihilation lifetime measurement in thin polyethylene films using a Na-22 source (2020)
  • Author(s): Yamawaki Masato、Uesugi Naoya、Oka Toshitaka、Nagasawa Naotsugu、Ando Hirokazu、O’Rourke Brian E.、Kobayashi Yoshinori
  • Journal Title: Japanese Journal of Applied Physics Volume: 59 Pages: 116504～116504
  • DOI: 10.35848/1347-4065/abc02e
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] ESR で調べる野生動物の外部被ばく線量 (2020)
  • Author(s): 岡壽崇, 高橋温
  • Journal Title: 放射線化学 Volume: 110 Pages: 13-19
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 電子スピン共鳴 (ESR) 法を用いた断層年代推定法 (2020)
  • Author(s): 田中桐葉, 武藤潤, 長濱裕幸, 岡壽崇
  • Journal Title: 放射線化学 Volume: 110 Pages: 21-30
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Four-body treatment of antihydrogen atomic collisions (2021)
  • Author(s): T. Yamashita (plenary), Y. Kino, E. Hiyama, K. Piszczatowski, S. Jonsell, P. Froelich
  • Organizer: Yamada Conference LXXII: The 8th Asia-Pacific Conference on Few-Body Problems in Physics (APFB2020), March 1-5, 2021
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 超伝導転移端センサーが拓く量子ビーム実験 (2021)
  • Author(s): 岡田信二
  • Organizer: 東北大学 素粒子・核物理学講座セミナー・新学術領域研究「量子ビーム応用」セミナー, 2021 年 1 月 8 日
  • Invited
• [Presentation] 超伝導検出器を用いたミュオン原子分子精密 X 線分光 (2021)
  • Author(s): 岡田信二
  • Organizer: 第 11 回 Muon 科学と加速器研究, オンライン開催, 2021 年 1 月 27-28 日
  • Invited
• [Presentation] プラズマ核融合とミュオン核融合の工学課題 (2021)
  • Author(s): 佐藤元泰
  • Organizer: R2 年度 NIFS 一般共同研究会 物質科学研究討論会：基礎と応用の新展開, 2021 年 3 月 9 日
  • Invited
• [Presentation] 励起ポジトロニウムと反水素原子の低エネルギー衝突による反水素正イオン生成の 4 体精密計算 (2021)
  • Author(s): 山下琢磨, 木野康志, 肥山詠美子, Svante Jonsell, Piotr Froelich
  • Organizer: R2 年度 NIFS 一般共同研究会 物質科学研究討論会：基礎と応用の新展開, 2021 年 3 月 9 日
  • Invited
• [Presentation] 超伝導 X 線検出器が拓くミュオンビーム実験 (2021)
  • Author(s): 岡田信二
  • Organizer: 2020 年度 量子ビームサイエンスフェスタ, オンライン開催, 2021 年 3 月 9-11 日
  • Invited
• [Presentation] 陽電子と水素原子負イオンのリドバーグ系列：解離分岐比の四体散乱計算 (2021)
  • Author(s): 山下琢磨, 木野康志, 肥山詠美子, Svante Jonsell, Piotr Froelich
  • Organizer: 日本物学会第 76 回年次大会, オンライン開催, 2021 年 3 月 12-15 日
• [Presentation] ミュオン分子4体系の精密計算：電子によるミュオン分子共鳴構造の変化 (2021)
  • Author(s): 安田和弘, 山下琢磨, 奥津賢一, 木野康志
  • Organizer: 日本物学会第 76 回年次大会, オンライン開催, 2021 年 3 月 12-15 日
• [Presentation] ミュオン触媒核融合後に放出されたミュオン運動量分布測定のための数値シミュレーションと設計 (2021)
  • Author(s): 宮下湖南, 奥津賢一, 木野康志, 中島良太, 安田和弘, 山下琢磨, 岡田信二, 佐藤元泰, 岡壽崇, 河村成肇, 神田聡太郎, 下村浩一郎, Strasser Patrick, 竹下聡史, 反保元伸, 土居内翔伍, 永谷幸則, 名取寛顕, 西村昇一郎, Amba Datt Pant, 三宅康博, 石田勝彦
  • Organizer: 日本物学会第 76 回年次大会, オンライン開催, 2021 年 3 月 12-15 日
• [Presentation] ミュオン触媒核融合反応後のミュオンの運動エネルギーの選別と検出の粒子輸送シミュレーション (2021)
  • Author(s): 中島良太, 奥津賢一, 木野康志, 宮下湖南, 安田和弘, 山下琢磨, 岡田信二, 佐藤元泰, 岡壽崇, 河村成肇, 神田聡太郎, 下村浩一郎, Strasser Patrick, 竹下聡史, 反保元伸, 土居内翔伍, 永谷幸則, 名取寛顕, 西村昇一郎, Amba Datt Pant, 三宅康博, 石田勝彦
  • Organizer: 日本物学会第 76 回年次大会, オンライン開催, 2021 年 3 月 12-15 日
• [Presentation] ミュオン触媒核融合反応素過程の解明に向けたミュオン検出系の開発 (2021)
  • Author(s): 奥津賢一, 木野康志, 中島良太, 宮下湖南, 安田和弘, 山下琢磨, 岡田信二, 佐藤元泰, 岡壽崇, 河村成肇, 下村浩一郎, Patrick Strasser, 竹下聡史, 反保元伸, 土居内翔伍, 永谷幸則, 名取寛顕, Amba Datt Pant, 三宅康博, 石田勝彦,
  • Organizer: 日本化学会 第 101 春季年会(2021), オンライン開催, 2020 年 3 月 19-22 日.
• [Presentation] Detection of recycling muon after muon-catalyzed fusion reaction in solid hydrogen isotope target (2020)
  • Author(s): K. Okutsu (oral), T. Yamashita, Y. Kino, R. Nakashima, K. Miyashita, K. Yasuda, S. Okada, M. Sato, T. Oka, N. Kawamura, S. Kanda, K. Shimomura, P. Strasser, S. Takeshita, M. Tampo, S. Doiuchi, Y. Nagatani, H. Natori, S. Nishimura, A. D. Pant, Y. Miyake, K. Ishida
  • Organizer: 3rd Asia Pacific Symposium on Tritium Science, November 3-6, 2020
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Time evolution calculation of muon-catalyzed fusion in deuterium-tritium mixture (2020)
  • Author(s): T. Yamashita (poster), K. Okutsu, Y. Kino, R. Nakashima, K. Miyashita, K. Yasuda, S. Okada, M. Sato, T. Oka, N. Kawamura, S. Kanda, K. Shimomura, P. Strasser, S. Takeshita, M. Tampo, S. Doiuchi, Y. Nagatani, H. Natori, S. Nishimura, A. D. Pant, Y. Miyake, K. Ishida
  • Organizer: 3rd Asia Pacific Symposium on Tritium Science, November 3-6, 2020
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ルンゲクッタ法によるミュオン触媒核融合の時間発展の計算 (2020)
  • Author(s): 山下琢磨, 奥津賢一, 木野康志, 中島良太, 宮下湖南, 安田和弘, 岡田信二, 佐藤元泰, 岡壽崇, 河村成肇, 神田聡太郎, 下村浩一郎, Strasser Patrick, 竹下聡史, 反保元伸, 土居内翔伍, 永谷幸則, 名取寛顕, 西村昇一郎, Amba Datt Pant, 三宅康博, 石田勝彦
  • Organizer: 日本物理学会2020年秋季大会, オンライン開催 2020 年 9 月 8-11 日
• [Presentation] J-PARC MLF での dd-μCF 実験におけるミュオン特性 X 線を用いた放出ミュオンの観測 (2020)
  • Author(s): 奥津賢一, 木野康志, 中島良太, 宮下湖南, 安田和弘, 山下琢磨, 岡田信二, 佐藤元泰, 岡壽崇, 河村成肇, 神田聡太郎, 下村浩一郎, Strasser Patrick, 竹下聡史, 反保元伸, 土居内翔伍, 永谷幸則, 名取寛顕, 西村昇一郎, Amba Datt Pant, 三宅康博, 石田勝彦
  • Organizer: 日本物理学会2020年秋季大会, オンライン開催 2020 年 9 月 8-11 日
• [Presentation] 反水素原子と励起状態ポジトロニウムの衝突における反水素正イオン生成断面積の計算 (2020)
  • Author(s): 山下琢磨, 木野康志, 肥山詠美子, Svante Jonsell, Piotr Froelich
  • Organizer: 日本物理学会2020年秋季大会, オンライン開催 2020 年 9 月 8-11 日
• [Presentation] ミュオン分子内核反応後に放出されたミュオンの測定 I：ミュオン特性X線による検出法の開発 (2020)
  • Author(s): 奥津賢一, 木野康志, 中島良太, 宮下湖南, 安田和弘, 山下琢磨, 岡田信二, 佐藤元泰, 岡壽崇, 河村成肇, 神田聡太郎, 下村浩一郎, Strasser Patrick, 竹下聡史, 反保元伸, 土居内翔伍, 永谷幸則, 名取寛顕, 西村昇一郎, Amba Datt Pant, 三宅康博, 石田勝彦
  • Organizer: 日本物理学会2020年秋季大会, オンライン開催 2020 年 9 月 8-11 日
• [Presentation] ミュオン分子内核反応後に放出されたミュオンの測定 II：静電場設計 (2020)
  • Author(s): 中島良太, 奥津賢一, 木野康志, 宮下湖南, 安田和弘, 山下琢磨, 岡田信二, 佐藤元泰, 岡壽崇, 河村成肇, 神田聡太郎, 下村浩一郎, Strasser Patrick, 竹下聡史, 反保元伸, 土居内翔伍, 永谷幸則, 名取寛顕, 西村昇一郎, Amba Datt Pant, 三宅康博, 石田勝彦
  • Organizer: 日本物理学会2020年秋季大会, オンライン開催 2020 年 9 月 8-11 日
• [Presentation] ミュオン分子内核反応後に放出されたミュオンの測定 III：放射線輸送計算 (2020)
  • Author(s): 宮下湖南, 奥津賢一, 木野康志, 中島良太, 安田和弘, 山下琢磨, 岡田信二, 佐藤元泰, 岡壽崇, 河村成肇, 神田聡太郎, 下村浩一郎, Strasser Patrick, 竹下聡史, 反保元伸, 土居内翔伍, 永谷幸則, 名取寛顕, 西村昇一郎, Amba Datt Pant, 三宅康博, 石田勝彦
  • Organizer: 日本物理学会2020年秋季大会, オンライン開催 2020 年 9 月 8-11 日
• [Presentation] ミュオン触媒核融合におけるミュオン分子共鳴状態 4 体系の精密計算 (2020)
  • Author(s): 安田和弘, 山下琢磨, 新山元彬, 奥津賢一, 木野康志
  • Organizer: 日本物理学会2020年秋季大会, オンライン開催 2020 年 9 月 8-11 日
• [Presentation] ポリエチレンの放射線照射後のゲル分率の変化：陽電子消滅寿命測定法による評価 (2020)
  • Author(s): 北田直也, 岡壽崇, 奥津賢一, 山下琢磨, 木野康志, 関根勉
  • Organizer: 日本放射化学会第 64 回討論会, オンライン開催, 2020 年 9 月 9-11 日
• [Presentation] 野生動物の歯を用いた ESR 線量計測のための試料前処理法の検討 (2020)
  • Author(s): 岡壽崇, 光安優典, 高橋温, 小荒井一真, 木野康志, 関根勉, 奥津賢一, 山下琢磨, 清水良央, 千葉美麗, 鈴木敏彦, 小坂健, 佐々木啓一, 藤嶋洋平, 漆原佑介, Valerie Swee Ting Goh, 有吉健太郎, 中田章史, 山城秀昭, 鈴木正敏, 福本学, 三浦富智, 篠田壽
  • Organizer: 日本放射化学会第 64 回討論会, オンライン開催, 2020 年 9 月 9-11 日
• [Presentation] 福島県浪江町に生息する野生動物の臓器の放射性セシウム濃度測定と内部被ばく線量推定 (2020)
  • Author(s): 小野拓実, 木野康志, 高橋温, 鈴木敏彦, 清水良央, 千葉美麗, 藤嶋洋平, Valerie GOH, 有吉健太郎, 中田章史, 鈴木正敏, 山城秀昭, 関根勉, 篠田壽, 三浦富智
  • Organizer: 日本放射線影響学会第 63 回大会, オンライン開催, 2020 年 10 月 15-16 日
  • Invited
• [Presentation] 水素化ポジトロニウムの構造解析 (2020)
  • Author(s): 山下琢磨, 木野康志, 肥山詠美子, Svante Jonsell, Piotr Froelich
  • Organizer: 原子衝突学会第 45 回年会, オンライン開催, 2020 年 12 月 8-10 日
  • Invited
• [Presentation] 電子雲中のミュオン分子共鳴状態のエネルギーと構造の計算 (2020)
  • Author(s): 安田和弘, 山下琢磨, 奥津賢一, 木野康志
  • Organizer: 原子衝突学会第 45 回年会, オンライン開催, 2020 年 12 月 8-10 日
• [Presentation] 陽電子アルカリ金属原子における相対論効果 (2020)
  • Author(s): 山下琢磨, 木野康志
  • Organizer: 複合原子力科学研究所専門研究会「陽電子科学とその理工学への応用」, オンライン開催, 2020 月 12 月 11 日
• [Patent(Industrial Property Rights)] 荷電粒子輸送装置 (2020)
  • Inventor(s): 奥津、木野、山下琢磨、宮下、中島、永谷、名取、ストラッサー、三宅
  • Industrial Property Rights Holder: 奥津、木野、山下琢磨、宮下、中島、永谷、名取、ストラッサー、三宅
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: 特願2020-178286
• [Patent(Industrial Property Rights)] Nuclear fusion system, nuclear fusion method, nuclide transmutation life-shortening treatment system for LLFP and nuclide transmutation life-shortening treatment method for LLFP (2020)
  • Inventor(s): 佐藤 飯吉 木野 武藤 棚橋 山本 高野 長谷川
  • Industrial Property Rights Holder: 佐藤 飯吉 木野 武藤 棚橋 山本 高野 長谷川
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: US20200395133A1
  • Overseas