ミュー粒子

ミュー粒子（ミューオン）とは

ミュー粒子（μ）は、素粒子物理学における標準模型で定義される第二世代の荷電レプトンです。ミューオンとも呼ばれます。電子と同じく負の電荷を持ち、スピンは1/2です。質量は電子の約206.7倍と重く、静止質量は105.6 MeV/c²です。寿命は非常に短く、平均2.2マイクロ秒で崩壊します。ミュー粒子（μ⁻）は電子、ミューニュートリノ、反電子ニュートリノに、その反粒子である反ミュー粒子（μ⁺）は陽電子、反ミューニュートリノ、電子ニュートリノに崩壊します。この崩壊は、弱い相互作用によって起こり、放出される電子または陽電子は、ミュー粒子のスピンに対して非対称な分布を示します。

ミュー粒子は、電子、そしてより重いタウ粒子（τ）と共に、レプトンの三世代構造を構成します。これらのレプトンは、強い相互作用をしないという特徴を持ちます。

研究史

ミュー粒子は、1936年にカール・アンダーソンとセス・ネッダーマイヤーによって宇宙線の中で発見されました。霧箱内で観測された粒子の軌跡から、電子よりも重い新たな粒子であることが示唆されました。1937年には、日本の仁科芳雄グループと、ストリートとスティヴンソンが独立にミュー粒子の飛跡を観測しました。

当初、ミュー粒子は湯川秀樹が提唱した中間子であると考えられていましたが、核力を媒介しないことが判明し、中間子とは異なる粒子であることがわかりました。1942年には、坂田昌一らによって、中間子とミュー粒子は異なる粒子であるという二中間子説が提唱されました。1947年にパイ中間子が発見されたことで、ミュー粒子がレプトンであることが確定しました。

日本では、電力中央研究所にミュー粒子観測施設「NEWCUT LAB」が設立され、宇宙線ミュー粒子の研究に利用されています。

ミュー粒子の利用研究

ミュー粒子は、中間子工場と呼ばれる陽子加速器施設で生成され、さまざまな研究に利用されています。

素粒子・原子核物理学: ミュー粒子の性質を詳しく調べることで、素粒子標準模型の検証や、新たな物理現象の発見につながる可能性があります。
物性物理学: ミュオンスピン回転（μSR）という手法を用いて、物質内部の磁気的な性質や、電子の運動状態を調べることができます。
物理化学: ミュー粒子を用いた触媒反応の研究や、分子構造の解析が行われています。
応用研究: ミューオン触媒核融合や、μ⁻捕獲X線による非破壊元素分析など、幅広い分野でミュー粒子が利用されています。
放射線治療: ミュー粒子を用いたがん治療の研究も進められています。

ミュオグラフィ

ミュー粒子は、透過力の高い性質を利用して、巨大構造物の内部を可視化するミュオグラフィという技術にも応用されています。

火山内部構造の調査: 宇宙線ミューオンを用いて、火山の内部構造を画像化する研究が行われています。
原子力発電所炉心の調査: 福島第一原子力発電所の炉心の状況調査にも利用されました。
古代遺跡の調査: ギザの大ピラミッドなど、歴史的建造物の内部構造の調査にも使われています。

超低速ミュオン顕微鏡

ミューオンを加速してマイクロビームを作り、それを試料に照射して、細部の構造を観察する研究も行われています。これは、波としての性質を利用したもので、新しい顕微鏡技術につながる可能性があります。

日本での研究状況

日本においては、1978年に東京大学理学部附属中間子科学実験施設が発足し、その後、高エネルギー加速器研究機構（KEK）に引き継がれました。この施設では、世界初のパルス状ミューオンビームの発生に成功しました。2006年からは、J-PARC（大強度陽子加速器施設）にミューオン実験施設が建設され、より高度な研究が進められています。

関連事項

ミュオンスピン回転
ミューオニウム
ミュオニック原子
ミューオン触媒核融合
中間子工場
Compact Muon Solenoid

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