超低速ミュオン顕微鏡

2014 年度 実績報告書

• 研究領域: 超低速ミュオン顕微鏡が拓く物質・生命・素粒子科学のフロンティア
• 研究課題/領域番号: 23108002
• 研究機関: 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構
• 研究代表者: 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)
• 研究分担者: 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)
• 研究期間 (年度): 2011-04-01 – 2016-03-31
• キーワード: 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

研究実績の概要

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。

現在までの達成度 (区分)

3: やや遅れている

理由

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。

今後の研究の推進方策

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。

研究成果

• [雑誌論文] Current status of the J-PARC muon facility, MUSE (2014)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 雑誌名: Journal of Physics: Conference Series 巻: 551 ページ: 012061,1-7
  • DOI: 10.1088/1742-6596/551/1/012061
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Design and construction of the ultra-slow muon beamline at J-PARC/MUSE (2014)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 雑誌名: Journal of Physics: Conference Series 巻: 551 ページ: 012065,1-7
  • DOI: 10.1088/1742-6596/551/1/012065
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Optimal crossed overlap of coherent vacuum ultraviolet radiation and thermal muonium emission for μSR with the Ultra Slow Muon (2014)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 雑誌名: Journal of Physics: Conference Series 巻: 551 ページ: 012066,1-6
  • DOI: 10.1088/1742-6596/551/1/012066
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Performance of a Superconducting Magnet System Operated in the Super Omega Muon Beam Line at J-PARC (2014)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 雑誌名: AIP Conference Proceedings 巻: 1573 ページ: 438-447
  • DOI: 10.1063/1.4860734
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Ultra Slow Muon Microscope at MUSE / J-PARC (2014)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 雑誌名: Journal of Physics: Conference Series 巻: 502 ページ: 012042,1-4
  • DOI: 10.1088/1742-6596/502/1/012042
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Enhancement of muonium emission rate from silica aerogel with a laser-ablated surface (2014)
  • 著者名/発表者名: 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.
  • 雑誌名: Progress of Theoretical and Experimental Physics 巻: 2014 ページ: 091C01 ,1-7
  • DOI: 10.1093/ptep/ptu116
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Online full two-dimensional imaging of pulsed muon beams at J-PARC MUSE using a gated image intensifier (2014)
  • 著者名/発表者名: T. U. Ito, A. Toyoda, W. Higemoto, M. Tajima, Y. Matsuda, and K. Shimomura
  • 雑誌名: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 巻: 754 ページ: 1-9
  • DOI: 10.1016/j.nima.2014.04.014
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Origin of the Phonon Hall Effect in Rare-Earth Garnets (2014)
  • 著者名/発表者名: M. Mori, A. Spencer-Smith, O. P. Sushkov, and S. Maekawa
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 113 ページ: 265901,1-7
  • DOI: 10.1103/PhysRevLett.113.265901
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Spin-Spin Correlation Enhanced by Impurities in a Frustrated Two-leg Spin Ladder (2014)
  • 著者名/発表者名: T. Sugimoto, M. Mori, T. Tohyama, and S. Maekawa
  • 雑誌名: JPS Conf. Proc. 巻: 3 ページ: 014016,1-5
  • DOI: 10.7566/JPSCP.3.014016
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Long-Period Charge Correlations in Charge-Frustrated Molecular theta -(BEDT-TTF)2X (2014)
  • 著者名/発表者名: M. Naka and H. Seo
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 83 ページ: 053706,1-5
  • DOI: 10.7566/JPSJ.83.053706
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Magnetic Field Effect in One-Dimensional Charge Ordering Systems (2014)
  • 著者名/発表者名: Y. Otsuka, H. Seo, and Y. Motome
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 83 ページ: 083703,1-4
  • DOI: 10.7566/JPSJ.83.083703
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Investigation of spontaneous magnetic field in spin-triplet superconductor Sr2RuO4 (2014)
  • 著者名/発表者名: W. HIGEMOTO, A.KODA, R.KADONO, Y. YOSHIDA and Y. ONUKI
  • 雑誌名: JPS Conf. Proc. 巻: 2 ページ: 010202 ,1-5
  • DOI: 10.7566/JPSCP.2.010202
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Photo-Induced Dynamics in Charge-Frustrated Systems (2014)
  • 著者名/発表者名: H. Hashimoto, H. Matsueda, H. Seo, and S. Ishihara
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan 巻: 83 ページ: 123703,1-4
  • DOI: 10.7566/JPSJ.83.123703
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Charge-Cluster Glass: Electrons Struggle with Frustration (2014)
  • 著者名/発表者名: H. Seo and K. Hukushima
  • 雑誌名: JPSJ News and Comments 巻: 11 ページ: 14,1-2
  • DOI: 10.7566/JPSJNC.11.14
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] J-PARC/MLF/MUSEにおける回転標的の導入 (2015)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: 日本物理学会第70回年次大会
  • 発表場所: 早稲田大（東京都・新宿区）
  • 年月日: 2015-03-21 – 2015-03-24
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: 日本物理学会第70回年次大会
  • 発表場所: 早稲田大（東京都・新宿区）
  • 年月日: 2015-03-21 – 2015-03-24
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: 日本物理学会第70回年次大会
  • 発表場所: 早稲田大（東京都・新宿区）
  • 年月日: 2015-03-21 – 2015-03-24
• [学会発表] Phonon Hall effect in the terbium-gallium-garnet: Skew scattering of phonon (2015)
  • 著者名/発表者名: M. Mori, A. Spencer-Smith, O.P. Sushkov, S. Maekawa
  • 学会等名: 39th ANNUAL CONDENSED MATTER and MATERIALS MEETING
  • 発表場所: Wagga Wagga（Australia）
  • 年月日: 2015-02-03 – 2015-02-06
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] J-PARC MUSE施設の現状 (2015)
  • 著者名/発表者名: 三宅康博
  • 学会等名: 第6回ミュオン科学と加速器研究
  • 発表場所: 大阪大学核物理研究センター（大阪府・茨木市）
  • 年月日: 2015-01-05 – 2015-01-07
• [学会発表] Muonium response to oxygen content in hemoglobin aqueous solution for cancer research (2015)
  • 著者名/発表者名: AMBA DATT PANT
  • 学会等名: 第6回ミュオン科学と加速器研究
  • 発表場所: 大阪大学核物理研究センター（大阪府・茨木市）
  • 年月日: 2015-01-05 – 2015-01-07
• [学会発表] 低エネルギーミュオン加速器の開発 (2015)
  • 著者名/発表者名: 林崎規託
  • 学会等名: 第6回ミュオン科学と加速器研究
  • 発表場所: 大阪大学核物理研究センター（大阪府・茨木市）
  • 年月日: 2015-01-05 – 2015-01-07
• [学会発表] ミュオン水素原子による陽子半径測定計画 (2015)
  • 著者名/発表者名: 石田勝彦
  • 学会等名: 第6回ミュオン科学と加速器研究
  • 発表場所: 大阪大学核物理研究センター（大阪府・茨木市）
  • 年月日: 2015-01-05 – 2015-01-07
• [学会発表] J-PARC MLF Uラインの現状 (2015)
  • 著者名/発表者名: 池戸豊
  • 学会等名: 第6回ミュオン科学と加速器研究
  • 発表場所: 大阪大学核物理研究センター（大阪府・茨木市）
  • 年月日: 2015-01-05 – 2015-01-07
• [学会発表] J-PARCミュオン回転標的の設置および運転状況 (2015)
  • 著者名/発表者名: 牧村俊助
  • 学会等名: 第6回ミュオン科学と加速器研究
  • 発表場所: 大阪大学核物理研究センター（大阪府・茨木市）
  • 年月日: 2015-01-05 – 2015-01-07
• [学会発表] 超低速ミュオンの再加速 (2015)
  • 著者名/発表者名: 吉田光宏
  • 学会等名: 第6回ミュオン科学と加速器研究
  • 発表場所: 大阪大学核物理研究センター（大阪府・茨木市）
  • 年月日: 2015-01-05 – 2015-01-07
• [学会発表] 超低速ミュオン生成用レーザーの輸送・強度測定状況 (2015)
  • 著者名/発表者名: 中村惇平
  • 学会等名: 第6回ミュオン科学と加速器研究
  • 発表場所: 大阪大学核物理研究センター（大阪府・茨木市）
  • 年月日: 2015-01-05 – 2015-01-07
• [学会発表] Commissioning of the Ultra Slow Muon Beamline at the J-PARC (2015)
  • 著者名/発表者名: 足立泰平
  • 学会等名: 第6回ミュオン科学と加速器研究
  • 発表場所: 大阪大学核物理研究センター（大阪府・茨木市）
  • 年月日: 2015-01-05 – 2015-01-07
• [学会発表] 表面ナノ構造加工タングステン箔からのMu放出実験 (2015)
  • 著者名/発表者名: 藪内敦
  • 学会等名: 第6回ミュオン科学と加速器研究
  • 発表場所: 大阪大学核物理研究センター（大阪府・茨木市）
  • 年月日: 2015-01-05 – 2015-01-07
• [学会発表] J-PARCにおけるμSR実験の現状と希土類化合物のμSR (2015)
  • 著者名/発表者名: 髭本亘
  • 学会等名: 第6回ミュオン科学と加速器研究
  • 発表場所: 大阪大学核物理研究センター（大阪府・茨木市）
  • 年月日: 2015-01-05 – 2015-01-07
• [学会発表] J-PARCミュオン施設（MUSE）で展開されるミュオン科学 (2014)
  • 著者名/発表者名: 三宅康博
  • 学会等名: 第55回真空に関する連合講演会
  • 発表場所: 大阪府立大学I-siteなんば（大阪府・大阪市）
  • 年月日: 2014-11-18 – 2014-11-20
  • 招待講演
• [学会発表] 高輝度ライマンα 光源の現状 (2014)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: 第3回領域会議公開シンポジウム
  • 発表場所: 東北大学（宮城県・仙台市）
  • 年月日: 2014-09-23 – 2014-09-25
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: 第3回領域会議公開シンポジウム
  • 発表場所: 東北大学（宮城県・仙台市）
  • 年月日: 2014-09-23 – 2014-09-25
• [学会発表] The Tuning of the Ultra Slow Muon Transport System (2014)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: 第3回領域会議公開シンポジウム
  • 発表場所: 東北大学（宮城県・仙台市）
  • 年月日: 2014-09-23 – 2014-09-25
• [学会発表] 超低速ミュオンの追加速 (2014)
  • 著者名/発表者名: 吉田光宏,夏井拓也,鳥飼幸太,林崎規託
  • 学会等名: 第3回領域会議公開シンポジウム
  • 発表場所: 東北大学（宮城県・仙台市）
  • 年月日: 2014-09-23 – 2014-09-25
• [学会発表] 超低速ミュオン顕微鏡用線形加速器の開発 (2014)
  • 著者名/発表者名: 林崎規託,吉田光宏
  • 学会等名: 第3回領域会議公開シンポジウム
  • 発表場所: 東北大学（宮城県・仙台市）
  • 年月日: 2014-09-23 – 2014-09-25
• [学会発表] Muonium Response to Oxygen Content in Hemoglobin Aqueous Solution for Cancer Research (2014)
  • 著者名/発表者名: A.D.Pant, K.Nagamine, I.Shiraki, K.Shimomura, F.L.Pratt, H.Ariga, K.Ishida, E.Torikai, J.S.Schultz
  • 学会等名: 第3回領域会議公開シンポジウム
  • 発表場所: 東北大学（宮城県・仙台市）
  • 年月日: 2014-09-23 – 2014-09-25
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: 日本物理学会2014年秋季大会
  • 発表場所: 中部大（愛知県・春日井市）
  • 年月日: 2014-09-07 – 2014-09-10
• [学会発表] J-PARC MUSE (2014)
  • 著者名/発表者名: Y.Miyake
  • 学会等名: NuFACT2014, XVIth International Workshop on Neutrino Factories and Future Neutrino Beam Facilities
  • 発表場所: Glasgow（Scotland）
  • 年月日: 2014-08-25 – 2014-08-30
  • 国際学会
• [学会発表] Tuning of the ultra slow muon beamline by utilizing ionized hydrogen (2014)
  • 著者名/発表者名: T.ADACHI, T. NAGATOMO, Y.IKEDO, K.NISHIYAMA, A.YABUUCHI, P.STRASSER,J. NAKAMURA, K. SHIMOMURA, Y. MIYAKE, E.TORIKAI
  • 学会等名: NuFACT2014, XVIth International Workshop on Neutrino Factories and Future Neutrino Beam Facilities
  • 発表場所: Glasgow（Scotland）
  • 年月日: 2014-08-25 – 2014-08-30
  • 国際学会
• [学会発表] Current status of the J-PARC muon facility, MUSE (2014)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: 13th International Conference on Muon Spin Rotation, Relaxation and Resonance
  • 発表場所: Grindelwald（Switzerland）
  • 年月日: 2014-06-01 – 2014-06-06
  • 国際学会
• [備考] 超低速ミュオン顕微鏡と極微μSR法創成
  • URL: http://slowmuon.kek.jp