| Project Area | Toward new frontiers : Encounter and synergy of state-of-the-art astronomical detectors and exotic quantum beams |
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| Project/Area Number |
18H05461
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Review Section |
Science and Engineering
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
木野 康志 東北大学, 理学研究科, 准教授 (00272005)
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| 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)
山下 琢磨 東北大学, 高度教養教育・学生支援機構, 助教 (40844965)
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| Project Period (FY) |
2018-06-29 – 2023-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2021)
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| Budget Amount *help |
¥147,680,000 (Direct Cost: ¥113,600,000、Indirect Cost: ¥34,080,000)
Fiscal Year 2021: ¥30,420,000 (Direct Cost: ¥23,400,000、Indirect Cost: ¥7,020,000)
Fiscal Year 2020: ¥28,340,000 (Direct Cost: ¥21,800,000、Indirect Cost: ¥6,540,000)
Fiscal Year 2019: ¥29,510,000 (Direct Cost: ¥22,700,000、Indirect Cost: ¥6,810,000)
Fiscal Year 2018: ¥29,120,000 (Direct Cost: ¥22,400,000、Indirect Cost: ¥6,720,000)
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| Keywords | ミュオン / 核融合 / 小数多体系 / マッハ衝撃波 / エキゾチック原子 / 衝撃波 / ラムジェット / 原子衝突 / ミュオン触媒核融合 / エキゾチック原子・分子 / 核融合反応 / 少数多体系 / エキゾチック原子分子 / ミュオン原子衝突 / 核融合中性子 |
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| 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。
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| Current Status of Research Progress |
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。
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| 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。
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