ミュオン重水素分子の核融合過程とその触媒反応機構の解明

• 研究課題/領域番号: 22K14642
• 研究種目: 若手研究
• 配分区分: 基金
• 審査区分: 小区分32010:基礎物理化学関連
• 研究機関: 学習院大学
• 研究代表者: 奥津 賢一 学習院大学, 理学部, 助教 (00838568)
• 研究期間 (年度): 2022-04-01 – 2025-03-31
• 研究課題ステータス: 交付 (2023年度)
• 配分額: 4,550千円 (直接経費: 3,500千円、間接経費: 1,050千円); 2024年度: 650千円 (直接経費: 500千円、間接経費: 150千円); 2023年度: 2,990千円 (直接経費: 2,300千円、間接経費: 690千円); 2022年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円)
• キーワード: 装置開発 / ミュオン / ミュオン触媒核融合 / 固体水素標的 / 荷電粒子輸送 / 再生ミュオン

研究開始時の研究の概要

素粒子の一つである負ミュオンは負の電荷を持ち、電子の約207倍重い粒子である。このことから重い電子のように振舞い、原子や分子の電子と入れ替わることでミュオン原子やミュオン分子を生成する。特に水素同位体間の核反応をミュオン分子の形成を経て手助けするものとしてミュオン触媒核融合(μCF)として知られているが、人工的に生成できるミュオン数の不足に加えて、エネルギーとして取り出す方法に目途が立っていないことなどから、反応機構の詳細な解析が喫緊の課題となっている。本研究ではμCF反応素過程を解明することを目的に反応の中でも重要である触媒反応機構に着目し、核反応後に放出されるミュオンの観測を目指す。

研究実績の概要

素粒子の一つである負ミュオンは負の電荷を持ち、電子の約207倍重い粒子である。このことから重い電子のように振舞い、原子や分子の電子と入れ替わることでミュオン原子やミュオン分子を生成する。特に水素同位体間の核反応をミュオン分子の形成を経て手助けするものとしてミュオン触媒核融合(μCF)として知られているが、人工的に生成できるミュオン数の不足に加えて、エネルギーとして取り出す方法に目途が立っていないことなどから、反応機構の詳細な解析が喫緊の課題となっている。本研究ではμCF反応素過程を解明することを目的に反応の中でも重要である触媒反応機構に着目し、核反応後に放出されるミュオンの観測を目指す。
本研究で着目しているミュオン触媒核融合(μCF)反応後に放出される再生ミュオンは反応を手助けすることからその反応効率は反応サイクル全体の理解には不可欠であり、またその運動エネルギー分布(KED)はミュオン分子軌道の情報を反映していることから量子化学的にも非常に興味深い。しかし再生ミュオンはこれまで直接観測はできておらず、ヘリウム原子核に吸着して反応サイクルから離脱したものを間接的に観測するに留まっており、直接観測ができれば非常に大きなインパクトがある。
これまでシミュレーションにより同軸輸送管を用いたミュオンの引き出しの最適化、引き出すための部品の冷却試験を進め、最大の懸念であった固体水素標的への影響の評価を行った。本年度においては再生ミュオンの引き出しにおいて重要な役割を果たす同軸輸送管に技術をより盤石にするべく実験を行った。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

これまでに同軸輸送管のシミュレーション、設計、試作等を進めており、固体水素標的との両立に影響がないかなどの冷却試験を進めた。結果、固体水素標的に昇温などの影響は軽微であることが確認された。
これまでのシミュレーションの結果を踏まえて行った実験結果の解析を進めており、検出用金属までミュオンが高確率で到達していると考えられる結果が得られた。この結果についてそれが再生ミュオンであったのか、それとも散乱されたミュオンなのかを慎重に解析を進めている。
また、再生ミュオン検出の際に抑制したい制動放射線の見積りもシミュレーションにより進めており、効率的な制動放射線の遮蔽方法の検討も進めている。特に同軸輸送管の利用においては輸送管内部に遮蔽を設置できない。原則として長距離を同軸輸送管で輸送することによる制動放射線を低減を狙うが効率的な遮蔽も必要であり、同軸輸送管を使用した実験の実施を通じてより効率的な遮蔽環境における実験条件を見出した。

今後の研究の推進方策

これまでに実施したミュオン触媒核融合により得られる再生ミュオンに関する実験結果の解析を進める。実験手法上、ミュオン触媒核融合由来の再生ミュオンと散乱、減速されたミュオンを区別はできないことから、検出用標的まで輸送されたまたは飛行したとみられるミュオンが再生ミュオンであるかについて慎重に解析を進める。
また所属機関の変更はあったものの、大強度陽子加速器施設J-PARCにおける実験参加も継続しており、今後も必要な加速器実験に参加しながらよりミュオン触媒核融合、極低温標的、同軸輸送管に関する実験を進める。

研究成果

• [雑誌論文] Role of resonance states of muonic molecule in muon catalyzed fusion (2023)
  • 著者名/発表者名: Kenichi Okutsu, Takuma Yamashita, Yasushi Kino, Konan Miyashita, Kazuhiro Yasuda, Toshitaka Oka, Motoyasu Sato
  • 雑誌名: JJAP Conference Proceedings 巻: 9 号: 0 ページ: 011003-011003
  • DOI: 10.56646/jjapcp.9.0_011003
  • ISSN: 2758-2450
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Roles of resonant muonic molecule in new kinetics model and muon catalyzed fusion in compressed gas (2022)
  • 著者名/発表者名: Yamashita Takuma、Kino Yasushi、Okutsu Kenichi、Okada Shinji、Sato Motoyasu
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 12 号: 1 ページ: 6393-6393
  • DOI: 10.1038/s41598-022-09487-0
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] 歯のESRスペクトルにおける放射線誘起成分の解析精度の検討 (2022)
  • 著者名/発表者名: 光安優典, 岡壽崇, 高橋温, 木野康志, 奥津賢一, 関根勉, 山下琢磨, 清水良央, 千葉美麗, 鈴木敏彦, 小坂健, 佐々木啓一, 鈴木正敏, 福本学, 篠田壽
  • 雑誌名: KEK Proceedings (第23回「環境放射能」研究会 Proceedings) 巻: 2022-2 ページ: 120-125
  • 査読あり
• [雑誌論文] イメージングプレートを用いた歯中放射性核種推定のための数値シミュレーション (2022)
  • 著者名/発表者名: 尾田晃平, 光安優典, 奥津賢一, 山下琢磨, 木野康志, 関根勉, 高橋温, 篠田壽
  • 雑誌名: KEK Proceedings (第23回「環境放射能」研究会 Proceedings) 巻: 2022-2 ページ: 126-131
  • 査読あり
• [学会発表] 低速ミュオン取り出しのためのミュオンの静電輸送シミュレーション (2024)
  • 著者名/発表者名: 池本恵, 染川純, 根木新太,小西蓮, 中島良太, 奥津賢一, 木野康志, 山下琢磨, 岡田信二, 佐藤元泰, 外山裕一, 岡壽崇, 河村成肇, 神田聡太郎, 下村浩一郎 C, 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, 三宅康博, Pant Amba Datt, Patrick Strasser, 石田勝彦
  • 学会等名: 日本物理学会 2024年春季大会
• [学会発表] ミュオン触媒核融合実験における散乱ミュオン及び制動放射線のエネルギー・角度分布の数値シミュレーション (2023)
  • 著者名/発表者名: 小西蓮, 奥津賢一, 木野康志, 佐々木喬祐, 中島良太, 宮下湖南, 安田和弘, 山下琢磨, 岡田信二, 佐藤元泰, 外山裕一, 岡壽崇, 河村成肇, 神田聡太郎,下村浩一郎, 竹下聡史, 反保元伸,土井内翔吾, 永谷幸則, 名取寛顕,西村昇一郎, 三宅康博, Amba D. Pant, Patrick Strasser, 石田勝彦
  • 学会等名: 日本物理学会第78回年次大会
• [学会発表] Takuma Yamashita, Yasushi Kino, Kenichi Okutsu, Yuichi Toyama, Shinji Okada, Motoyasu Sato (2023)
  • 著者名/発表者名: Recent progress of muon catalyzed fusion study: I. new kinetics model with muonic molecular resonances
  • 学会等名: XXXIII International Conference on Photonic, Electronic and Atomic Collisions (ICPEAC2023)
• [学会発表] Recent progress of muon catalyzed fusion study: I. new kinetics model with muonic molecular resonances (2023)
  • 著者名/発表者名: Takuma Yamashita, Yasushi Kino, Kenichi Okutsu, Yuichi Toyama, Shinji Okada, Motoyasu Sato
  • 学会等名: XXXIII International Conference on Photonic, Electronic and Atomic Collisions (ICPEAC2023)
  • 国際学会
• [学会発表] Recent progress of muon catalyzed fusion study: II. new muonic x-ray spectroscopy (2023)
  • 著者名/発表者名: Y. Toyama, T. Azuma, D. A. Bennett, W. B. Doriese, M. S. Durkin, J. W. Fowler, J. D. Gard, T. Hashimoto, R. Hayakawa, G. C. Hilton, Y. Ichinohe, K. Ishida, S. Kanda, N. Kawamura, Y. Kino, R. Konishi, Y. Miyake, K. M. Morgan, R. Nakashima, H. Natori, H. Noda, G. C. O’Neil, S. Okada, T. Okumura, K. Okutsu et al.
  • 学会等名: XXXIII International Conference on Photonic, Electronic and Atomic Collisions (ICPEAC2023)
  • 国際学会
• [学会発表] Recent progress of muon catalyzed fusion study: III. Alternative measurement of nuclear fusion reaction in muonic molecule (2023)
  • 著者名/発表者名: K. Okutsu, T. Yamashita, Yasushi Kino, R. Nakashima, R. Konishi, K. Sasaki, K. Miyashita, Y. Toyama, 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
  • 学会等名: XXXIII International Conference on Photonic, Electronic and Atomic Collisions (ICPEAC2023)
  • 国際学会
• [学会発表] 荷電粒子の捕集・輸送装置の開発 (2023)
  • 著者名/発表者名: 奥津賢一
  • 学会等名: 新学術領域「宇宙観測検出器と量子ビームの出会い。新たな応用への架け橋。」領域研究会
• [学会発表] Measurement of recycling muon from muon catalyzed fusion reaction in solid hydrogen (2022)
  • 著者名/発表者名: K. Okutsu, K, Miyashita, R. Nakashima, R. Konishi, K. Sasaki, K. Yasuda, T. Yamashita, Y. Kino, Y. Toyama, S. Okada, M. Sato, T. Oka, N. Kawamura, S. Kanda, K. Shimomura, P. Strasser, S. Takeshita, M. Tampo, S. Doiuchi, Y. Nagatani, S. Nishimura, A. D. Pant, Y. Miyake, K. Ishida
  • 学会等名: 37th Symposium on Chemical Kinetics and Dynamics
  • 国際学会
• [学会発表] A simulation study for energy separation of recycling muons after muon catalyzed fusion (2022)
  • 著者名/発表者名: R. Nakashima, K. Okutsu, K, Miyashita, R. Konishi, K. Sasaki, K. Yasuda, T. Yamashita, Y. Kino, Y. Toyama, S. Okada, M. Sato, T. Oka, N. Kawamura, S. Kanda, K. Shimomura, P. Strasser, S. Takeshita, M. Tampo, S. Doiuchi, Y. Nagatani, S. Nishimura, A. D. Pant, Y. Miyake, K. Ishida
  • 学会等名: 37th Symposium on Chemical Kinetics and Dynamics
  • 国際学会
• [学会発表] ミュオン触媒核融合からの低速ミュオン検出実験のための数値シミュレーション (2022)
  • 著者名/発表者名: 小西蓮, 奥津賢一, 木野康志, 佐々木喬祐, 中島良太, 宮下湖南, 安田和弘, 山下琢磨, 岡田信二, 佐藤元泰, 外山裕一, 岡壽崇, 河村成肇, 神田聡太郎, 下村浩一郎, 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, 三宅康博, Amba D. Pant, Strasser Patrick, 石田勝彦
  • 学会等名: 日本物理学会 2023 年春季大会
• [学会発表] ミュオン水素分子イオンの解離 X 線スペクトルの非断熱計算 (2022)
  • 著者名/発表者名: 山下琢磨, 安田和弘, 奥津賢一, 木野康志
  • 学会等名: 第 16 回分子科学討論会
• [学会発表] ミュオンビームの固体水素内における挙動の数値シミュレーション (2022)
  • 著者名/発表者名: 小西蓮, 奥津賢一, 木野康志, 佐々木喬祐, 中島良太, 山下琢磨, 宮下湖南, 安田和弘, 岡田信二, 佐藤元泰, 外山裕一, 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 Pant, 三宅康博, 石田勝彦
  • 学会等名: 令和 4 年度化学系学協会東北大会
• [学会発表] 固体重水素薄膜を用いたミュオン触媒核融合反応素過程の解明 (2022)
  • 著者名/発表者名: 奥津賢一
  • 学会等名: 新学術領域研究「宇宙観測検出器と量子ビームの出会い。新た応用の架け橋。」領域研究会 (第 4 回領域全体会議)