深部花崗岩ミューオン生成核種蓄積を用いた過去１千万年の宇宙線スペクトル変動の探索

• 研究課題/領域番号: 19K03882
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分15020:素粒子、原子核、宇宙線および宇宙物理に関連する実験
• 研究機関: 山形大学
• 研究代表者: 櫻井 敬久 山形大学, 理学部, 客員教授 (60150265)
• 研究分担者: 堀内 一穂 弘前大学, 理工学研究科, 准教授 (00344614) ; 湯口 貴史 熊本大学, 大学院先端科学研究部(理), 教授 (00516859)
• 研究期間 (年度): 2019-04-01 – 2024-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2023年度)
• 配分額: 4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円); 2021年度: 390千円 (直接経費: 300千円、間接経費: 90千円); 2020年度: 1,690千円 (直接経費: 1,300千円、間接経費: 390千円); 2019年度: 2,210千円 (直接経費: 1,700千円、間接経費: 510千円)
• キーワード: 宇宙線 / 宇宙線生成核種 / ミューオン / 宇宙線永年変化 / 花崗岩 / AMS分析 / 高エネルギーミューオン / 永年変化

研究開始時の研究の概要

約７千万年前に形成され、隆起・沈降後１千万年前に現在の状態に安定した土岐花崗岩は、１千万年の間、地球に入射してくる銀河宇宙線が大気中で生成した高エネルギーミュー中間子の照射を受けて生成されBe-10、Al-26を蓄積している。その宇宙線生成核種の測定は過去１千万年にわたる宇宙線強度変動を直接的に観測する唯一の手段であり、未知の領域である宇宙線スペクトルの長期変動の直接的探索である。

研究成果の概要

深度100 mまでの土岐花崗岩ボーリングコア試料を用いて、高エネルギー宇宙線ミューオンが地下花崗岩の石英中に生成し蓄積した宇宙線生成核種Be-10(半減期136万年）、Al-26(半減期72万年）の濃度を加速器質量分析法により測定した。また、ミューオンビーム照射実験とシミュレーションにより両核種の生成断面積を確定した。高エネルギー宇宙線ミューオンの地下深度分布と生成断面積から地下花崗岩における両核種の生成率と蓄積された核種の放射能濃度の深度分布を求め、実験結果と整合していることを明らかにし探索法の有効性を示唆した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

本研究の100 mの深度での実験データは、国際的に見ても1例程度の先行研究しかない。さらに世界的にみても例をみない３次元的岩石情報を取得している土岐花崗岩体からの単一ボーリングコア試料による系統的分析測定結果は本研究が唯一のものである。本実験研究で導出した生成断面積は、世界に先駆けたデータであり学術的に大きな意義がある。また、高エネルギー宇宙線により過去１千万年の銀河の様子を調べることは社会文化的貢献でもある。

研究成果

• [雑誌論文] Production rates of long-lived radionuclides 10Be and 26Al under direct muon-induced spallation in granite quartz and its implications for past high-energy cosmic ray fluxes (2024)
  • 著者名/発表者名: H. Sakurai, Y. Kurebayashi, S. Suzuki , K. Horiuchi , Y. Takahashi, N. Doshita, S. Kikuchi , F. Tokanai, N. Iwata , Y. Tajima, S. Gunji , E. Inui, K. Kondo, T. Oe, N. Sasaki, S. Abe, T. Sato, H. Matsuzaki, V. Vlachoudis
  • 雑誌名: PHYSICAL REVIEW D 巻: 109 号: 10
  • DOI: 10.1103/physrevd.109.102005
  • 査読あり
• [雑誌論文] Crystallization processes of quartz in a granitic magma: Implications for the magma chamber processes of Okueyama granite, Kyushu, Japan (2024)
  • 著者名/発表者名: Yuguchi Takashi、Kato Takenori、Ogita Yasuhiro、Watanabe Minori、Yamazaki Hayoto、Kato Asuka、Itoh Daichi、Yokoyama Tatsunori、Sakata Shuhei、Ohno Takeshi
  • 雑誌名: Journal of Asian Earth Sciences 巻: 265 ページ: 106091-106091
  • DOI: 10.1016/j.jseaes.2024.106091
  • 査読あり
• [雑誌論文] Morphological and chemical characterization of secondary carbonates in the Toki granite, central Japan, and the evolution of fluid chemistry (2022)
  • 著者名/発表者名: Yuguchi, T., Hatsukawa, H., Suzuki, S., Imura, Motai, S., T., Nakashima, K., Nishiyama, T.
  • 雑誌名: American Mineralogist 巻: 107 号: 12 ページ: 2282-2290
  • DOI: 10.2138/am-2022-8229
  • 査読あり
• [雑誌論文] Mass transfer associated with chloritization in the hydrothermal alteration process of granitic pluton. (2021)
  • 著者名/発表者名: 2.Yuguchi, T., Matsuki, T., Izumino, Y., Sasao, E. and Nishiyama, T.
  • 雑誌名: American Mineralogist 巻: 106 ページ: 1128-1142
  • 査読あり
• [雑誌論文] Prolonged production of 14C during the ~660 BCE solar proton event from Japanese tree rings (2020)
  • 著者名/発表者名: Sakurai Hirohisa、Tokanai Fuyuki、Miyake Fusa、Horiuchi Kazuho、Masuda Kimiaki、Miyahara Hiroko、Ohyama Motonari、Sakamoto Minoru、Mitsutani Takumi、Moriya Toru
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 10 号: 1 ページ: 1-7
  • DOI: 10.1038/s41598-019-57273-2
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Measurements of beryllium isotopes in ice wedges in Alaska (2019)
  • 著者名/発表者名: Horiuchi Kazuho、Ohno Hiroshi、Iwahana Go、Iizuka Yoshinori、Matsuzaki Hiroyuki
  • 雑誌名: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms 巻: 459 ページ: 64-70
  • DOI: 10.1016/j.nimb.2019.07.046
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Role of micropores, mass transfer, and reaction rate in the hydrothermal alteration process of plagioclase in a granitic pluton (2019)
  • 著者名/発表者名: Yuguchi, T., Shoubuzawa, K., Ogita, Y., Yagi, K., Ishibashi, M., Sasao, E., Nishiyama, T.
  • 雑誌名: American Mineralogist 巻: 104 ページ: 536-556
  • 査読あり
• [学会発表] 高エネルギーミューオンによる長半減期宇宙線生成核種Be-10,Al-26の花崗岩石英中の生成率と地下花崗岩における濃度の深度分布 (2024)
  • 著者名/発表者名: 櫻井敬久, 紅林泰, 鈴木颯一郎, 堀内一穂, 高橋唯, 堂下典弘, 菊地聡, 門叶冬樹,岩田尚能, 田島靖久, 郡司修一, 乾恵美子, 近藤薫, 大江毅, 佐々木宣欣,安部晋一郎, 佐藤達彦, 松崎浩之, Vlachoudis Vasilis
  • 学会等名: 日本物理学会2024春季大会
• [学会発表] 高エネルギーミューオンによる長半減期宇宙線生成核種 Be-10,Al-26の花崗岩における生成率 (2024)
  • 著者名/発表者名: 櫻井敬久
  • 学会等名: 第 24 回 AMS シンポジウム
• [学会発表] 土岐花崗岩における物質移行特性に関する研究：鉱物の微小空隙がもたらす物質移動の遅延 (2023)
  • 著者名/発表者名: 湯口貴史，笹尾英嗣，火原諒子，村上裕晃，尾崎裕介
  • 学会等名: 日本地質学会2023年年会
• [学会発表] 2000年から23年間の大気中宇宙線生成核種Be-7濃度変動の観測 (2023)
  • 著者名/発表者名: 櫻井敬久、川村容明、鈴木颯一郎、乾恵美子、門叶冬樹、 森谷透、武山美麗 他
  • 学会等名: 日本物理学会 2023年春季大会
• [学会発表] 地下深部土岐花崗岩コア中の長半減期宇宙線生成核種Be-10の測定II (2021)
  • 著者名/発表者名: 櫻井敬久、堀内一穂、鈴木颯一郎、岩田尚能、湯口貴史、門叶冬樹、松崎浩之
  • 学会等名: 日本物理学会2021秋季大会online(2021/9/16)
• [学会発表] Be-7 in Japan, Iceland and Thailand during solar cycle 24 descent phase (2021)
  • 著者名/発表者名: H. Sakurai, Y. Kawamura, F. Tokanai, et al.
  • 学会等名: JPGU meeting 2021 online PEM08-P11 June3-6 e-poster
• [学会発表] 多数試料Be同位体分析による古宇宙線変動の解明と古記録間の同期 (2021)
  • 著者名/発表者名: 堀内一穂
  • 学会等名: 日本地球化学会第68回年会，ハイブリッド開催 2021年9月1日－9月15日
  • 招待講演
• [学会発表] 花崗岩中の割れ目発生・発達プロセスの解明：熱水変質を指標としたアプローチ[R6P-04] (2021)
  • 著者名/発表者名: 湯口貴史，笹尾英嗣，五十公野裕也
  • 学会等名: 日本鉱物科学会 2021年年会
• [学会発表] 14C during the ~660 BCE solar proton event from Japanese tree rings (2020)
  • 著者名/発表者名: Hirohisa Sakurai, Fusa Miyake, Fuyuki Tokanai, Kazuho Horiuchi, et al.
  • 学会等名: JpGU-AGU Joint meeting 2020
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Yearly variations in Be-7 concentrations in the surface air at Iceland and Japan for 16 years from 2003 (2020)
  • 著者名/発表者名: H. Sakurai, Y. Kawamura, F. Tokanai, et al.
  • 学会等名: 11th Symposium on Polar Science online meeting
• [学会発表] 中部日本土岐花崗岩体に生じる熱水変質 ―炭酸塩鉱物の産状区分に基づくCL像観察と化学的特徴― (2020)
  • 著者名/発表者名: 初川悠，中島和夫，湯口貴史
  • 学会等名: 日本鉱物科学会
• [学会発表] 花崗岩体の石英の結晶化プロセス：石英のCL累帯パターンとTitaniQ温度計 (2019)
  • 著者名/発表者名: 湯口貴史，小北康弘，加藤丈典，横田倫太郎，笹尾英嗣，西山忠男
  • 学会等名: 日本鉱物科学会 2019年年会
• [学会発表] Yearly variations in Be-7 concentrations in surface air at Iceland and Japan for 15 years from 2003: Solar modulation of cosmogenic nuclide (2019)
  • 著者名/発表者名: H. Sakurai, Y. Kawamura, F.Tokanai, et al.
  • 学会等名: 第10回極域科学シンポジウム