Advanced negative muon beam development

2022 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: 18H05464
• Research Institution: High Energy Accelerator Research Organization
• Principal Investigator: 三宅 康博 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 物質構造科学研究所, 研究員 (80209882)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 永谷 幸則 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 物質構造科学研究所, 特別准教授 (00393421) ; Patrick Strasser 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 物質構造科学研究所, 講師 (20342834) ; 嶋 達志 大阪大学, 核物理研究センター, 准教授 (10222035)
• Project Period (FY): 2018-06-29 – 2023-03-31
• Keywords: 負ミュオン / 冷却 / 非破壊検査 / ミュオン触媒核融合 / ラムザウアータウンゼント効果

Outline of Annual Research Achievements

加速器で得られる負ミュオンビームは、大強度だが収束に難がある。そこで、加速器で得られる大強度負ミュオンを冷却し、数10ナノメートル径まで収束可能な超低速負ミュオンビームを開発し、収束負ミュオンビームの走査(偏向器によるXY走査、およびエネルギー走査による打ち込み深さの走査)により、物質表面の元素分布・同位体分布や化学結合分布を、非破壊、極めて高い感度、3次元、かつ数10ナノメートルの分解能(深さ方向は数ナノメートル分解能)で可視化する革命的な分析顕微鏡となる走査負ミュオン顕微鏡の創出に挑戦するに至った。
当初、極低温の固体重水素ターゲットに負ミュオンを照射するミュオン触媒核融合実験を実施し、中性子等の観測により実際にミュオン触媒核融合反応を確認し、更に、超低速化されたミュオンの検出にも成功した。しかし、放射線申請に時間がかかり、且つ、1年に1回の申請しか認められないという制約の中で、J-PARCでは、トリチウムの使用の許可が今後、数年間は下りない事が裁定された。止むを得ず、トリチウムを使用しないで、取り出した減速負ミュオンを多層の薄膜を用いて摩擦冷却し、輝度の高い超低速負ミュオンビームへと変換するビーム冷却装置を開発することに舵を切った。
紆余曲折はあったものの、0.5mm厚のBe板を減速材標的として使用し、運動量27.5MeV/cを選択し、摩擦冷却で発生した3.5kV, 5kV, 7kVの超低速負ミュオンを同軸管による輸送する原理検証実験に成功した。更に、最終実験として、厚さ20～30nmの窒化ケイ素の冷却薄膜を作製し、メッシュ電極に装着し、10keVの超低速ミュオンを取り出すだけでなく、収束させることにも成功した。最重要な基本原理検証ができたので、今後、予算があれば、夢の超低速負ミュオン走査顕微鏡を実現できるものと考えられる。

Research Progress Status

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Remarks

第7回文理融合シンポジウム　量子ビームで歴史を探る ー加速器が紡ぐ文理融合の地平　https://www2.kek.jp/imss/msl/2022/10/7.html
第8回文理融合シンポジウム　量子ビームで歴史を探る ー加速器が紡ぐ文理融合の地平　https://www2.kek.jp/imss/msl/2023/09/8.html

Research Products

• [Journal Article] Development of a non-destructive carbon quantification method in iron by negative muon lifetime measurement (2024)
  • Author(s): Ninomiya Kazuhiko、Kubo Michael Kenya、Inagaki Makoto、Yoshida Go、Takeshita Soshi、Tampo Motonobu、Shimomura Koichiro、Kawamura Naritoshi、Strasser Patrick、Miyake Yasuhiro、Ito Takashi U.、Higemoto Wataru、Saito Tsutomu
  • Journal Title: Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry Volume: ー Pages: 1-6
  • DOI: 10.1007/s10967-023-09289-2
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Development of a non-destructive depth-selective quantification method for sub-percent carbon contents in steel using negative muon lifetime analysis (2024)
  • Author(s): Ninomiya Kazuhiko、Kubo Michael Kenya、Inagaki Makoto、Yoshida Go、Chiu I-Huan、Kudo Takuto、Asari Shunsuke、Sentoku Sawako、Takeshita Soshi、Shimomura Koichiro、Kawamura Naritoshi、Strasser Patrick、Miyake Yasuhiro、Ito Takashi U.、Higemoto Wataru、Saito Tsutomu
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 14 Pages: 1797(1-8)
  • DOI: 10.1038/s41598-024-52255-5
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Quantification of bulk elemental composition for C‐type asteroid Ryugu samples with nondestructive elemental analysis using muon beam (2024)
  • Author(s): K. NINOMIYA , T. OSAWA, K. TERADA, T. WADA, S. NAGASAWA, I-H CHIU, T. NAKAMURA, T. TAKAHASHI, Y. MIYAKE, M. K. KUBO, S. TAKESHITA, A. TANIGUCHI, I. UMEGAKI, S. WATANABE, T. AZUMA, M. KATSURAGAWA, T. MINAMI, K.MIZUMOTO, K. SHIMOMURA, S. TAKEDA,…et al
  • Journal Title: Meteoritics & Planetary Science Volume: n/a Pages: (1-13)
  • DOI: 10.1111/maps.14135
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Negative muon beam status at the D-line of MUSE, J-PARC (2024)
  • Author(s): Takeshita Soshi、Umegaki Izumi、Tampo Motonobu、Strasser Patrick、Ikedo Yutaka、Koda Akihiro、Higemoto Wataru、Yuasa Takahiro、Kawamura Naritoshi、Miyake Yasuhiro、Shimomura Koichiro
  • Journal Title: Interactions Volume: 245 Pages: 38(1-15)
  • DOI: 10.1007/s10751-024-01877-2
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Developments on muonic X-Ray measurement system for historical-cultural heritage samples in Japan Proton Accelerator Research Complex (J-PARC) (2024)
  • Author(s): Tampo Motonobu、Miyake Yasuhiro、Saito Tsutomu、Kutsuna Takahiko、Tsumura Makiko、Umegaki Izumi、Takeshita Soshi、Doiuchi Shogo、Ishikake Yuta、Hashimoto Akiko、Shimomura Koichiro
  • Journal Title: Interactions Volume: 245 Pages: 39(1-9)
  • DOI: 10.1007/s10751-024-01885-2
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Pulsed muon facility of J-PARC MUSE (2024)
  • Author(s): K. Shimomura, A.Koda, A.D.Pant, H.Sunagawa, H.Fujimori, I.Umegaki, J.Nakamura, M.Fujihala, M.Tampo, N.Kawamura,N.Teshima, P.Strasser, R.Kadono, R.Iwai, S.Matoba, S.Nishimura, S.Kamioka, S.Kanda, S.Takeshita, T. Yuasa, T.Ito, T.Yamazaki, T.Mibe, W.Higemoto, Y.Miyake, Y.Kobayashi, Y.Oishi, Y.Nagatani, Y.Ikedo
  • Journal Title: Interactions Volume: 245 Pages: 31(1-6)
  • DOI: 10.1007/s10751-024-01863-8
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] 負ミュオンが織りなす文理融合研究 (2024)
  • Author(s): 三宅康博
  • Journal Title: 月刊考古学ジャーナル Volume: 794 Pages: 31-34
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Present status of J-PARC MUSE (2023)
  • Author(s): Shimomura K、Koda A、Pant A D、Natori H、Fujimori H、Umegaki I、Nakamura J、Tampo M、Kawamura N、Teshima N、Strasser P、Kadono R、Iwai R、Matoba S、Nishimura S、Kanda S、Takeshita S、Yuasa T、Yamazaki T、Miyake Y、Kobayashi Y、Oishi Y、Nagatani Y、Ikedo Y、Higemoto W、Ito T
  • Journal Title: Journal of Physics: Conference Series Volume: 2462 Pages: 012033(1-5)
  • DOI: 10.1088/1742-6596/2462/1/012033
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Non-destructive Elemental Analysis of Lunar Materials with Negative Muon Beam at J-PARC (2023)
  • Author(s): Chiu I-Huan、Terada Kentaro、Takahito Osawa、Park Changkun、Takeshita Soshi、Miyake Yasuhiro、Ninomiya Kazuhiko
  • Journal Title: Journal of Physics: Conference Series Volume: 2462 Pages: 012004(1-7)
  • DOI: 10.1088/1742-6596/2462/1/012004
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Developments of muonic X-ray measurement system for historical-cultural heritage samples in Japan Proton Accelerator Research Complex (J-PARC) (2023)
  • Author(s): Tampo M.、Miyake Y.、Kutsuna T.、Saito T.、Takeshita S.、Umegaki I.、Shimomura K.
  • Journal Title: Journal of Physics: Conference Series Volume: 2462 Pages: 012002(1-6)
  • DOI: 10.1088/1742-6596/2462/1/012002
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] New beamlines and future prospects of the J-PARC muon facility (2023)
  • Author(s): T.Yamazaki, N.Kawamura , K.Shimomura ,Y.Miyake ,Y.Oishi ,T.Adachi ,P.Strasser ,A.Koda ,H.Fujimori ,T.Yuasa ,Y.Ikedo ,Y.Kobayashi ,K.Sasaki ,T.Mibe ,T.Ushizawa ,Y.Higashino ,D.Nagao ,M.Aoki ,K.Hase ,S.Kaneko ,R.Tagawa ,T.Uematsu ,Y.Seiya ,S.Uetake Satoshi,T.Masuda ,H.Tada ,S.Sugiyama ,K.Suzuki
  • Journal Title: EPJ Web of Conferences Volume: 282 Pages: 01016～01016
  • DOI: 10.1051/epjconf/202328201016
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Non-destructive operando measurements of muonic x-rays on Li-ion battery (2023)
  • Author(s): Umegaki I、Kondo Y、Tampo M、Nishimura S、Takeshita S、Higuchi Y、Kondo H、Sasaki T、Shimomura K、Miyake Y
  • Journal Title: Journal of Physics: Conference Series Volume: 2462 Pages: 012018(1-6)
  • DOI: 10.1088/1742-6596/2462/1/012018
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Integration of arts and sciences using negative muon non-destructive analysis at J-PARC MUSE (2023)
  • Author(s): Miyake Y.、Tampo M.、Takeshita S.、Umegaki I.、Strasser P.、Doiuchi S.、Hashimoto A.、Shimomura K.、Kutsuna T.、Saito T.、Kubo K.、Ninomiya K.
  • Journal Title: Journal of Physics: Conference Series Volume: 2462 Pages: 012005(1-4)
  • DOI: 10.1088/1742-6596/2462/1/012005
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Formation and evolution of carbonaceous asteroid Ryugu: Direct evidence from returned samples (2023)
  • Author(s): T. Nakamura, M.Matsumoto, K.Amano, Y.Enokido,… Y. Miyake,… M.Abe, S.Watanabe, Y.Tsuda,et al.
  • Journal Title: Science Volume: 379 Pages: eabn8671(1-16)
  • DOI: 10.1126/science.abn8671
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Development of Nondestructive Elemental Analysis System for Hayabusa2 Samples Using Muonic X-rays (2023)
  • Author(s): T. Osawa, S. Nagasawa, K. Ninomiya, T.Takahashi, T.Nakamura, T.Wada, A.Taniguchi, I. Umegaki, K.M. Kubo, K.Terada, IH.Chiu, S. Takeda, M.Katsuragawa, T. Minami, S.Watanabe, T.Azuma, K. Mizumoto, G.Yoshida, S.Takeshita, M. Tampo, K. Shimomura, Y. Miyake
  • Journal Title: ACS Earth and Space Chemistry Volume: 7 Pages: 699-711
  • DOI: 10.1021/acsearthspacechem.2c00303
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] ミュオン非破壊分析法を用いた銅鐸錆部の下層に残存する金属部分の組成分析 (2023)
  • Author(s): 齋藤努・藤尾慎一郎・濱田幸司・反保元伸・竹下聡史・土居内翔伍・橋本亜紀子・梅垣いづみ・久保謙哉・工藤拓人・二宮和彦・三宅康博
  • Journal Title: 文化財科学 Volume: 87 Pages: 17-30
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 負ミュオンビームを用いた歴史研究ー文理融合研究 (2022)
  • Author(s): 三宅康博
  • Journal Title: 原子力システムニュース Volume: 33 Pages: 6-10
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 負ミュオンを用いた丁銀の色付に関する非破壊分析 (2022)
  • Author(s): 齋藤努, 竹下聡史, 反保元伸, 土居内翔伍, 橋本亜紀子, 梅垣いづみ, 久保謙哉, 二宮和彦, 三宅康博
  • Journal Title: 文化財科学 日本文化財科学会誌 Volume: 84 Pages: 1-16
• [Journal Article] Non-destructive 3D imaging method using muonic X-rays and a CdTe double-sided strip detector (2022)
  • Author(s): Chiu I-Huan、Takeda Shin’ichiro、Kajino Meito、Shinohara Atsushi、Katsuragawa Miho、Nagasawa Shunsaku、Tomaru Ryota、Yabu Goro、Takahashi Tadayuki、Watanabe Shin、Takeshita Soshi、Miyake Yasuhiro、Ninomiya Kazuhiko
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 12 Pages: 5261(1-9)
  • DOI: 10.1038/s41598-022-09137-5
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 加速器ミュオンイメージングによる文理産融合研究 (2024)
  • Author(s): 三宅康博
  • Organizer: 第14回Muon科学と加速器研究
• [Presentation] 高輝度負ミュオン源 (2024)
  • Author(s): 永谷幸則
  • Organizer: 第14回Muon科学と加速器研究
• [Presentation] ミュオンイメージング法を用いた文・理・産融合研究に向けた基盤技術の開発 (2023)
  • Author(s): 三宅康博, 永谷幸則, 反保元伸, 土居内翔伍, A. Pant, 竹下聡史, 梅垣いづみ, 下村浩一郎
  • Organizer: 日本物理学会2023年春季大会
• [Presentation] 文理融合研究：負ミュオンを用いたローマ時代銀貨の深さ方向銀濃度分布測定 (2023)
  • Author(s): 反保元伸,三宅康博,津村眞輝子, 沓名貴彦, 梅垣いづみ, 土居内翔伍, 石掛雄大, 橋本亜希子,竹下聡史,下村浩一郎
  • Organizer: 日本物理学会第78回年次大会
• [Presentation] ミュオンイメージング法による文理産融合研究に向けた基盤技術開発II (2023)
  • Author(s): 三宅康博, 今井隆行, 永谷幸則, 反保元伸, 土居内翔伍, A.Pant, 竹下聡史,梅垣いづみ,湯浅貴裕, 藤森寛, 下村浩一郎
  • Organizer: 日本物理学会第78回年次大会
• [Presentation] Development of Muon Imaging By Accelerator Muons (2023)
  • Author(s): Yasuhiro Miyake
  • Organizer: 2023 Optica Imaging Congress
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] J-PARC負ミュオンX線元素分析装置の現状報告 (2023)
  • Author(s): 反保元伸
  • Organizer: 第８回文理融合シンポジウム
• [Presentation] ミュオンで視る (2023)
  • Author(s): 三宅康博
  • Organizer: 第８回文理融合シンポジウム 一般講演会
• [Presentation] Present status of J-PARC MUSE (2022)
  • Author(s): K.Shimomura, A.Koda, A. D. Pant, H.Natori, H.Fujimori, I.Umegaki, J.Nakamura, M. Tampo, N. Kawamura, N. Teshima, P. Strasser, R. Kadono, R. Iwai, S. Matoba, S. Nishimura, S.Kanda, S.Takeshita, T.Yuasa, T.Ito, T.Yamazkai, W. Higemoto, Y. Miyake, Y. Kobayashi, Y.Oishi, Y. Nagatani, Y. Ikedo
  • Organizer: The 15th International Conference on Muon Spin Rotation, Relaxation and Resonance (μSR2020)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Non-destructive operando measurements of muonic x-rays on Li-ion battery (2022)
  • Author(s): I.Umegaki, M.Tampo, Y. Kondo, Y.Higuchi, H.Kondo, S.Nishimura, S.Takeshita, Y. Miyake, K.Shimomura
  • Organizer: The 15th International Conference on Muon Spin Rotation, Relaxation and Resonance (μSR2020)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Developments on muonic X-ray measurement system for historical-cultural heritage samples in Japan Proton Accelerator Research Complex (J-PARC) (2022)
  • Author(s): M.Tampo, Y.Miyake, T. Kutsuna, T.Saito, S.Takeshita, I.Umegaki, S.Doiuchi, Y. Ishikake, A. Hashimoto, K.Shimomura
  • Organizer: The 15th International Conference on Muon Spin Rotation, Relaxation and Resonance (μSR2020)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ミュオン非破壊分析法による古後藤の目貫の深さ方向分析 (2022)
  • Author(s): 齋藤努・反保元伸・土居内翔伍・梅垣いづみ・三宅康博
  • Organizer: 日本文化財科学会第39回大会
• [Presentation] μ-の超低速化実験について (2022)
  • Author(s): 名取寛顕, 三宅康博, 永谷幸則, Patrick Strasser, 木野康志, 奥津賢一, 山下琢磨, 石田勝彦, 岡田信二, 外山裕一, Amba Datt Pant, 小西蓮, 佐々木喬祐, 反保元伸, 土居内翔伍
  • Organizer: 日本物理学会2022年秋季大会
• [Presentation] 文理融合研究：負ミュオンを用いた琉球王朝金貨の深さ方向金濃度分布測定 (2022)
  • Author(s): 反保元伸, 沓名貴彦, 梅垣いづみ, 土居内翔伍, 石掛雄大, 橋本亜希子, 竹下聡史, 下村浩一郎, 三宅康博
  • Organizer: 日本物理学会2022年秋季大会
• [Presentation] 負ミュオンビームを用いた歴史研究-ミュオンで視る 歴史資料- (2022)
  • Author(s): 三宅康博
  • Organizer: 原子力システム研究懇話会・第317回定例懇談会
  • Invited
• [Presentation] J-PARC MUSEにおける文理融合研究 (2022)
  • Author(s): 三宅康博
  • Organizer: 第７回文理融合シンポジウム
• [Presentation] J-PARC負ミュオン元素分析装置の現状と今後について (2022)
  • Author(s): 反保元伸
  • Organizer: 第７回文理融合シンポジウム
• [Presentation] ミュオン顕微イメージングの応用 (2022)
  • Author(s): 永谷幸則
  • Organizer: 第７回文理融合シンポジウム
• [Presentation] J-PARCミュオンH1エリアにおける負ミュオン利用の可能性 (2022)
  • Author(s): 山崎高幸
  • Organizer: 第７回文理融合シンポジウム
• [Book] NSA/COMMENTARIES 量子ビーム科学の基礎と応用 (2023)
  • Author(s): 永宮正治,民井淳,小沢恭一郎,前川藤夫,羽場宏光,吉田敦,阿部知子,郡司卓,後田裕,中村哲,柴山光宏,三宅 康博,...他
  • Total Pages: 195
  • Publisher: 日本原子力産業協会 原子力システム研究懇話会
• [Remarks] 最先端府ミュオンビーム開発
  • URL: https://www2.kek.jp/imss/msl/MuonScience-G/Research/SlowMuon-.html