超低速ミュオン顕微鏡

2014 Fiscal Year Annual Research Report

• Project Area: Frontier of Materials, Life and Elementary Particle Science Explored by Ultra Slow Muon Microscope
• Project/Area Number: 23108002
• 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, 教授 (80209882)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 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, 研究機関講師 (20342834) ; 石田 勝彦 国立研究開発法人理化学研究所, 仁科加速器研究センター, 副主任研究員 (70176189) ; 髭本 亘 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 先端基礎研究センター, 研究主幹 (90291103)
• Project Period (FY): 2011-04-01 – 2016-03-31
• Keywords: ミュオン / 超低速ミュオン / パルスレーザー / ライマンαレーザー / 共鳴イオン化法 / 表面界面 / 水素 / マイクロビーム

Outline of Annual Research Achievements

本研究領域は、光科学と加速器科学の究極的な融合により、「超低速ミュオン顕微法」を確立させ、物質科学を飛躍的に発展させることを目的としている。実空間におけるスピン相関を広い時間スケールで微視的に観測することは、物質や生命のダイナミクスを知る上で欠かすことができない。超低速ミュオン顕微鏡は、表面から物質内部に至る任意の深さにおいて、これまでにない高い分解能で「スピン時空相関」を観測することができる。本班は、この基幹装置の開発・整備を行うことで、本領域の基盤を構築するとともに、マイクロ化したミュオンビームを生成することにより、物質科学の新たな展開を図ることを目標としている。本研究では、主として「ミュオンスピン回転緩和（μSR）法」と呼ばれる実験手法を用いる。μSR 法は素粒子ミュオンを用いた超高感度の局所内部磁場の観測手法である。加速器で生成された100％スピン偏極したミュオンをプローブとして試料に打ち込むため、あらゆる物質に適用可能であり、磁性研究をはじめとして極めて広い分野で用いられている。他の実験手法では観測困難なMHz領域の内部磁場の揺らぎの観測に威力を発揮し、広い時間窓で、実空間におけるスピンの動的・静的な状態を知ることができる本研究班は、超低速ミュオンによる研究を本格的に開始するため、１）熱ミュオニウム発生装置並びに超低速ミュオン顕微鏡光学系を設計・製作し、２）A04班が構築する100μJ/パルス/cm2を超える大強度パルス状ライマンαレーザーシステムと組み合わせる。これにより、0.2 eVの超低速ミュオンを従来の10000倍以上、毎秒10(6)個発生させることができる。さらに、３）超低速ミュオンの再加速により最小で10 μmφにまでビーム径を絞り込み、顕微機能を最大限に発揮した物質研究を行うことが可能となる。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

Mu発生チェンバー、タングステン加熱ヒーター、輸送用高圧電源、偏向電磁石電源がすべてくみ上げられ、タングステン箔の不純物であるリシウム６、リシウム７を用いてのオプティックスの最適化も順調に進んでいた。しかしながら、2015年1月初旬のJ-PARCミュオン施設の火事、並びに4月の中性子源のトラブルの為に、2015年10月まで、MLFのビーム実験を中止せざるを得なかった。更に、悪いことに、ビーム復旧後、再度、中性子源のトラブルでJ-PARCのビームが止まってしまった。なんとか復旧できたのが2016年2月末であった。
幸いなことに、2016年2月末に、定格の20％の200ｋWという低出力の運転ではあったが、J-PARC MLFビーム復旧後、直ぐに熱Muをパルスレーザーによって共鳴イオン化し、超低速ミュオンを発生させる事に成功することができた。低出力であっても、安定にビーム供給がなされれば、コミッショニングにより、最適化する事が可能なので、各種パラメータ調整を開始した。

Strategy for Future Research Activity

2015年1月初旬のJ-PARCミュオン施設の火事、並びに中性子源のトラブルの為に、2015年10月まで、MLFのビーム実験を中止せざるを得なかった。更に、ビーム復旧後、再度、中性子源のトラブルで、J-PARCのビームを復旧できたのが2016年2月末であった。2015年度は、ビーム運転が殆どできない状況が続いたが、2016年、2月末に、定格の20％の200ｋWではあるが、J-PARC　MLFビームが復旧した。
幸運なことに、復旧直後、熱Muをパルスレーザーによって、共鳴イオン化し、超低速ミュオンを発生させる事に成功する事ができた。低出力であっても、安定にビーム供給がなされれば、コミッショニングにより、最適化する事が可能なので、各種パラメータ調整を開始した。　コミッショニング、並びにパラメータの最適化が順調に進んでおり、ビーム運転が安定に継続されれば、2016年6月には、超低速ミュオンを使った実験を開始する事ができそうな状況である。まずは、薄膜試料に超低速ミュオンを止めて、超低速ミュオンの偏極度測定をおこなうとともに、多層膜への注入深さを調整するために、打ち込みエネルギーを変えるデモンストレーション実験を行う予定である。
中性子源のトラブルの対策の為に、暫定的に設置された中性子源では、所定の性能での運転が難しく、１MWの運転が可能な工程が、予測できないことが不安定要素としてあげられる。

Research Products

• [Journal Article] Current status of the J-PARC muon facility, MUSE (2014)
  • Author(s): Y. Miyake, K. Shimomura, N .Kawamura, P. Strasser, A. Koda, H. Fujimori, Y. Ikedo, S. Makimura, Y. Kobayashi, J .Nakamura, K. Kojima, T. Adachi, R .Kadono, S. Takeshita, K. Nishiyama, W. Higemoto, T. Ito, K. Nagamine, H. Ohata, Y. Makida, M. Yoshida, T. Okamura, R. Okada and T. Ogitsu
  • Journal Title: Journal of Physics: Conference Series Volume: 551 Pages: 012061,1-7
  • DOI: 10.1088/1742-6596/551/1/012061
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Design and construction of the ultra-slow muon beamline at J-PARC/MUSE (2014)
  • Author(s): P. Strasser, Y. Ikedo, S. Makimura, J. Nakamura, K. Nishiyama, K. Shimomura, H. Fujimori, T. Adachi, A .Koda, N. Kawamura, Y. Kobayashi, W. Higemoto, T.U. Ito, T. Nagatomo, E. Torikai, R. Kadono and Y. Miyake
  • Journal Title: Journal of Physics: Conference Series Volume: 551 Pages: 012065,1-7
  • DOI: 10.1088/1742-6596/551/1/012065
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Optimal crossed overlap of coherent vacuum ultraviolet radiation and thermal muonium emission for μSR with the Ultra Slow Muon (2014)
  • Author(s): J. Nakamura, Y. Oishi, N. Saito, K. Miyazaki, K. Okamura, W. Higemoto, Y.Ikedo, K. M. Kojima, P. Strasser, T. Nagatomo, S. Makimura, Y. Miyake, N. Kawamura, K. Yokoyama, D. Tomono, K. Shimomura, S. Wada, A. Koda, Y. Kobayashi, H. Fujimori, R. Kadono, and K. Nishiyama
  • Journal Title: Journal of Physics: Conference Series Volume: 551 Pages: 012066,1-6
  • DOI: 10.1088/1742-6596/551/1/012066
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Performance of a Superconducting Magnet System Operated in the Super Omega Muon Beam Line at J-PARC (2014)
  • Author(s): Y. Makida ,Y. Ikedo, T. Ogitsu, K. Shimomura, Y. Miyake, M. Yoshida, T. Adachi, R. Kadono, N. Kawamura, P. Strasser, A. Koda, H. Fujimori, K. Nishiyama, H. Ohhata, T. Okamura, R. Okada, T. Orikasa
  • Journal Title: AIP Conference Proceedings Volume: 1573 Pages: 438-447
  • DOI: 10.1063/1.4860734
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Ultra Slow Muon Microscope at MUSE / J-PARC (2014)
  • Author(s): J. Nakamura, T. Nagatomo, Y. Oishi, Y. Ikedo, P. Strasser, N. Saito, K. Miyazaki, K. Yokoyama, K. Okamura, Y. Miyake, S. Makimura, K. Nishiyama, K. Shimomura, N. Kawamura, A. Koda, W. Higemoto, S. Wada, M. Iwasaki, and E. Torikai
  • Journal Title: Journal of Physics: Conference Series Volume: 502 Pages: 012042,1-4
  • DOI: 10.1088/1742-6596/502/1/012042
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Enhancement of muonium emission rate from silica aerogel with a laser-ablated surface (2014)
  • Author(s): Beer, G. A. Fujiwara, Y. Hirota, S. Ishida, K. Iwasaki, M. Kanda, S. Kawai, H. Kawamura, N. Kitamura, R. Lee, S. Lee, W. Marshall, G. M. Mibe, T. Miyake, Y. Okada, S. Olchanski, K. Olin, A. Ohnishi, H. Oishi, Y. Otani, M. Saito, N. Shimomura, K. Strasser, P. Tabata, M. Tomono, D. Ueno, K. Won, E. Yokoyama, K.
  • Journal Title: Progress of Theoretical and Experimental Physics Volume: 2014 Pages: 091C01 ,1-7
  • DOI: 10.1093/ptep/ptu116
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Online full two-dimensional imaging of pulsed muon beams at J-PARC MUSE using a gated image intensifier (2014)
  • Author(s): T. U. Ito, A. Toyoda, W. Higemoto, M. Tajima, Y. Matsuda, and K. Shimomura
  • Journal Title: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A Volume: 754 Pages: 1-9
  • DOI: 10.1016/j.nima.2014.04.014
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Origin of the Phonon Hall Effect in Rare-Earth Garnets (2014)
  • Author(s): M. Mori, A. Spencer-Smith, O. P. Sushkov, and S. Maekawa
  • Journal Title: Physical Review Letters Volume: 113 Pages: 265901,1-7
  • DOI: 10.1103/PhysRevLett.113.265901
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Spin-Spin Correlation Enhanced by Impurities in a Frustrated Two-leg Spin Ladder (2014)
  • Author(s): T. Sugimoto, M. Mori, T. Tohyama, and S. Maekawa
  • Journal Title: JPS Conf. Proc. Volume: 3 Pages: 014016,1-5
  • DOI: 10.7566/JPSCP.3.014016
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Long-Period Charge Correlations in Charge-Frustrated Molecular theta -(BEDT-TTF)2X (2014)
  • Author(s): M. Naka and H. Seo
  • Journal Title: Journal of the Physical Society of Japan Volume: 83 Pages: 053706,1-5
  • DOI: 10.7566/JPSJ.83.053706
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Magnetic Field Effect in One-Dimensional Charge Ordering Systems (2014)
  • Author(s): Y. Otsuka, H. Seo, and Y. Motome
  • Journal Title: Journal of the Physical Society of Japan Volume: 83 Pages: 083703,1-4
  • DOI: 10.7566/JPSJ.83.083703
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Investigation of spontaneous magnetic field in spin-triplet superconductor Sr2RuO4 (2014)
  • Author(s): W. HIGEMOTO, A.KODA, R.KADONO, Y. YOSHIDA and Y. ONUKI
  • Journal Title: JPS Conf. Proc. Volume: 2 Pages: 010202 ,1-5
  • DOI: 10.7566/JPSCP.2.010202
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Photo-Induced Dynamics in Charge-Frustrated Systems (2014)
  • Author(s): H. Hashimoto, H. Matsueda, H. Seo, and S. Ishihara
  • Journal Title: Journal of the Physical Society of Japan Volume: 83 Pages: 123703,1-4
  • DOI: 10.7566/JPSJ.83.123703
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Charge-Cluster Glass: Electrons Struggle with Frustration (2014)
  • Author(s): H. Seo and K. Hukushima
  • Journal Title: JPSJ News and Comments Volume: 11 Pages: 14,1-2
  • DOI: 10.7566/JPSJNC.11.14
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] J-PARC/MLF/MUSEにおける回転標的の導入 (2015)
  • Author(s): 牧村俊助，河村成肇，小林庸男，池戸豊，門野良典，幸田章宏，小嶋健二，下村浩一郎，ストラッサーパトリック，中津川洋平，藤森寛，三宅康博
  • Organizer: 日本物理学会第70回年次大会
  • Place of Presentation: 早稲田大（東京都・新宿区）
  • Year and Date: 2015-03-21 – 2015-03-24
• [Presentation] J-PARC MLFにおける超低速ミュオンビームのチューニング状況 (2015)
  • Author(s): 足立泰平，池戸豊，籔内敦，中村惇平，ストラッサーパトリック，長友傑，伊藤孝，髭本亘，牧村俊助，河村成肇，下村浩一郎，門野良典，三宅康博，鳥養映子
  • Organizer: 日本物理学会第70回年次大会
  • Place of Presentation: 早稲田大（東京都・新宿区）
  • Year and Date: 2015-03-21 – 2015-03-24
• [Presentation] J-PARC・MUSE・超低速ミュオン生成用コヒーレント真空紫外光の強度測定状況 (2015)
  • Author(s): 中村惇平，大石裕，斎藤徳人，宮崎洸治，岡村幸太郎，足立泰平，横山幸司，牧村俊助，池戸豊，三宅康博，ストラッサーパトリック，友野大，髭本亘，河村成肇，長友傑，下村浩一郎，和田智之，幸田章宏，小嶋健児，藤森寛，門野良典，西山樟生
  • Organizer: 日本物理学会第70回年次大会
  • Place of Presentation: 早稲田大（東京都・新宿区）
  • Year and Date: 2015-03-21 – 2015-03-24
• [Presentation] Phonon Hall effect in the terbium-gallium-garnet: Skew scattering of phonon (2015)
  • Author(s): M. Mori, A. Spencer-Smith, O.P. Sushkov, S. Maekawa
  • Organizer: 39th ANNUAL CONDENSED MATTER and MATERIALS MEETING
  • Place of Presentation: Wagga Wagga（Australia）
  • Year and Date: 2015-02-03 – 2015-02-06
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] J-PARC MUSE施設の現状 (2015)
  • Author(s): 三宅康博
  • Organizer: 第6回ミュオン科学と加速器研究
  • Place of Presentation: 大阪大学核物理研究センター（大阪府・茨木市）
  • Year and Date: 2015-01-05 – 2015-01-07
• [Presentation] Muonium response to oxygen content in hemoglobin aqueous solution for cancer research (2015)
  • Author(s): AMBA DATT PANT
  • Organizer: 第6回ミュオン科学と加速器研究
  • Place of Presentation: 大阪大学核物理研究センター（大阪府・茨木市）
  • Year and Date: 2015-01-05 – 2015-01-07
• [Presentation] 低エネルギーミュオン加速器の開発 (2015)
  • Author(s): 林崎規託
  • Organizer: 第6回ミュオン科学と加速器研究
  • Place of Presentation: 大阪大学核物理研究センター（大阪府・茨木市）
  • Year and Date: 2015-01-05 – 2015-01-07
• [Presentation] ミュオン水素原子による陽子半径測定計画 (2015)
  • Author(s): 石田勝彦
  • Organizer: 第6回ミュオン科学と加速器研究
  • Place of Presentation: 大阪大学核物理研究センター（大阪府・茨木市）
  • Year and Date: 2015-01-05 – 2015-01-07
• [Presentation] J-PARC MLF Uラインの現状 (2015)
  • Author(s): 池戸豊
  • Organizer: 第6回ミュオン科学と加速器研究
  • Place of Presentation: 大阪大学核物理研究センター（大阪府・茨木市）
  • Year and Date: 2015-01-05 – 2015-01-07
• [Presentation] J-PARCミュオン回転標的の設置および運転状況 (2015)
  • Author(s): 牧村俊助
  • Organizer: 第6回ミュオン科学と加速器研究
  • Place of Presentation: 大阪大学核物理研究センター（大阪府・茨木市）
  • Year and Date: 2015-01-05 – 2015-01-07
• [Presentation] 超低速ミュオンの再加速 (2015)
  • Author(s): 吉田光宏
  • Organizer: 第6回ミュオン科学と加速器研究
  • Place of Presentation: 大阪大学核物理研究センター（大阪府・茨木市）
  • Year and Date: 2015-01-05 – 2015-01-07
• [Presentation] 超低速ミュオン生成用レーザーの輸送・強度測定状況 (2015)
  • Author(s): 中村惇平
  • Organizer: 第6回ミュオン科学と加速器研究
  • Place of Presentation: 大阪大学核物理研究センター（大阪府・茨木市）
  • Year and Date: 2015-01-05 – 2015-01-07
• [Presentation] Commissioning of the Ultra Slow Muon Beamline at the J-PARC (2015)
  • Author(s): 足立泰平
  • Organizer: 第6回ミュオン科学と加速器研究
  • Place of Presentation: 大阪大学核物理研究センター（大阪府・茨木市）
  • Year and Date: 2015-01-05 – 2015-01-07
• [Presentation] 表面ナノ構造加工タングステン箔からのMu放出実験 (2015)
  • Author(s): 藪内敦
  • Organizer: 第6回ミュオン科学と加速器研究
  • Place of Presentation: 大阪大学核物理研究センター（大阪府・茨木市）
  • Year and Date: 2015-01-05 – 2015-01-07
• [Presentation] J-PARCにおけるμSR実験の現状と希土類化合物のμSR (2015)
  • Author(s): 髭本亘
  • Organizer: 第6回ミュオン科学と加速器研究
  • Place of Presentation: 大阪大学核物理研究センター（大阪府・茨木市）
  • Year and Date: 2015-01-05 – 2015-01-07
• [Presentation] J-PARCミュオン施設（MUSE）で展開されるミュオン科学 (2014)
  • Author(s): 三宅康博
  • Organizer: 第55回真空に関する連合講演会
  • Place of Presentation: 大阪府立大学I-siteなんば（大阪府・大阪市）
  • Year and Date: 2014-11-18 – 2014-11-20
  • Invited
• [Presentation] 高輝度ライマンα 光源の現状 (2014)
  • Author(s): 大石裕,中村惇平,斎藤徳人,宮崎洸治,岡村幸太郎,三宅康博,岩崎雅彦,和田智之
  • Organizer: 第3回領域会議公開シンポジウム
  • Place of Presentation: 東北大学（宮城県・仙台市）
  • Year and Date: 2014-09-23 – 2014-09-25
• [Presentation] 超低速ミュオン生成用コヒーレント光の輸送系と計測系 (2014)
  • Author(s): 中村惇平,大石裕,斎藤徳人,宮崎洸治,岡村幸太郎,足立泰平,横山幸司,牧村俊助,池戸豊,三宅康博,ストラッサ―パトリック,長友傑,友野大,髭本亘,河村成肇,下村浩一郎,和田智之,幸田章宏,小嶋健児,藤森寛,門野良典,西山樟生
  • Organizer: 第3回領域会議公開シンポジウム
  • Place of Presentation: 東北大学（宮城県・仙台市）
  • Year and Date: 2014-09-23 – 2014-09-25
• [Presentation] The Tuning of the Ultra Slow Muon Transport System (2014)
  • Author(s): 足立泰平,池戸豊,西山樟生,藪内敦,中村惇平,長友傑,ストラッサ―パトリック,伊藤孝,髭本亘,小嶋健児,下村浩一郎,三宅康博,鳥養映子
  • Organizer: 第3回領域会議公開シンポジウム
  • Place of Presentation: 東北大学（宮城県・仙台市）
  • Year and Date: 2014-09-23 – 2014-09-25
• [Presentation] 超低速ミュオンの追加速 (2014)
  • Author(s): 吉田光宏,夏井拓也,鳥飼幸太,林崎規託
  • Organizer: 第3回領域会議公開シンポジウム
  • Place of Presentation: 東北大学（宮城県・仙台市）
  • Year and Date: 2014-09-23 – 2014-09-25
• [Presentation] 超低速ミュオン顕微鏡用線形加速器の開発 (2014)
  • Author(s): 林崎規託,吉田光宏
  • Organizer: 第3回領域会議公開シンポジウム
  • Place of Presentation: 東北大学（宮城県・仙台市）
  • Year and Date: 2014-09-23 – 2014-09-25
• [Presentation] Muonium Response to Oxygen Content in Hemoglobin Aqueous Solution for Cancer Research (2014)
  • Author(s): A.D.Pant, K.Nagamine, I.Shiraki, K.Shimomura, F.L.Pratt, H.Ariga, K.Ishida, E.Torikai, J.S.Schultz
  • Organizer: 第3回領域会議公開シンポジウム
  • Place of Presentation: 東北大学（宮城県・仙台市）
  • Year and Date: 2014-09-23 – 2014-09-25
• [Presentation] J-PARC MLFにおける超低速ミュオンビームラインのチューニング (2014)
  • Author(s): 足立泰平，池戸豊，西山樟生，籔内敦，ストラッサーパトリック，長友傑，伊藤孝，髭本亘，牧村俊助，中村惇平，河村成肇，幸田章宏，藤森寛，小林康男，下村浩一郎，門野良典，三宅康博，鳥養映子
  • Organizer: 日本物理学会2014年秋季大会
  • Place of Presentation: 中部大（愛知県・春日井市）
  • Year and Date: 2014-09-07 – 2014-09-10
• [Presentation] J-PARC MUSE (2014)
  • Author(s): Y.Miyake
  • Organizer: NuFACT2014, XVIth International Workshop on Neutrino Factories and Future Neutrino Beam Facilities
  • Place of Presentation: Glasgow（Scotland）
  • Year and Date: 2014-08-25 – 2014-08-30
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Tuning of the ultra slow muon beamline by utilizing ionized hydrogen (2014)
  • Author(s): T.ADACHI, T. NAGATOMO, Y.IKEDO, K.NISHIYAMA, A.YABUUCHI, P.STRASSER,J. NAKAMURA, K. SHIMOMURA, Y. MIYAKE, E.TORIKAI
  • Organizer: NuFACT2014, XVIth International Workshop on Neutrino Factories and Future Neutrino Beam Facilities
  • Place of Presentation: Glasgow（Scotland）
  • Year and Date: 2014-08-25 – 2014-08-30
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Current status of the J-PARC muon facility, MUSE (2014)
  • Author(s): Y Miyake, K Shimomura, N Kawamura, P Strasser, A Koda, H Fujimori, Y Ikedo, S Makimura, Y Kobayashi, J Nakamura, K Kojima, T Adachi, R Kadono, S Takeshita, K Nishiyama, W Higemoto, T Ito, K Nagamine, H Ohata, Y Makida, M Yoshida, T Okamura, R Okada and T Ogitsu
  • Organizer: 13th International Conference on Muon Spin Rotation, Relaxation and Resonance
  • Place of Presentation: Grindelwald（Switzerland）
  • Year and Date: 2014-06-01 – 2014-06-06
  • Int'l Joint Research
• [Remarks] 超低速ミュオン顕微鏡と極微μSR法創成
  • URL: http://slowmuon.kek.jp