レーザーでつくったミューオンで鉛を透視する

ミューオンは電子の重いいとこにあたる粒子だ。質量がはるかに大きいため、物質を通り抜けるときにエネルギーをほとんど失わず、膨大な厚さの岩や金属を通過できる。

これがミュオグラフィの基本だ。ミューオンを使って、巨大な物体や高密度の物体の「レントゲン写真」を撮る。2017年にはクフ王のピラミッド内部の巨大な空洞を明らかにし、浅間山やエトナ山などの火山、鉱山、鉄道トンネル、氷河、貨物コンテナの調査にも使われてきた。

空からのミューオンの限界

これまでミュオグラフィは、宇宙線が大気にぶつかるときに自然に生まれる宇宙線ミューオンだけに頼ってきた。その流量は少なく、1平方センチメートルあたり毎秒約1個なので、露光時間が長くなる。ほとんどが上から来るうえ、そのエネルギーや方向は誰にも制御できない。

代わりの方法は、レーザーで人工のミューオンビームをつくることだ。「レーザー航跡場加速」を使えば、わずか数センチメートルのガスの中で電子を約10 GeVまで加速できる。その電子を固体の標的にぶつけると、ミューオンが生まれる。レーザーでつくったミューオンは2025年、上海とバークレーのBELLAレーザーで初めて確認されたが、検出は間接的なものにとどまっていた。

実験

研究はルーマニアのマグレレにあるELI-NP（Extreme Light Infrastructure – Nuclear Physics）で行われた。使われたのは10ペタワットのレーザーアームで、230ジュールを23フェムト秒で照射し、ショットは最大で1分に1回。キャンペーンでは230発のショットを使った。

• 長さ60 mmのガス標的が、最大8 GeVの電子を生み出した。
• 電子は40 × 40 × 50 cmの鉛ブロックに衝突した。そこでガンマ線がミューオン・反ミューオン対を生成した（ベーテ・ハイトラー過程）。
• 厚い遮蔽、すなわち100 cmのポリエチレン、60 cmのパラフィン、鉛、そして厚さ2メートルの鉄筋コンクリートの壁が、不要な中性子とガンマ線を止めた。
• ミュオグラフィ用につくられた3台の検出器がビームを記録した。そのひとつ、µ36はバンに搭載され、線源から20、29、42メートルの距離へ、さらに横方向に最大6メートルまで移動した。
• 詳細なモンテカルロシミュレーション（GEANT4）が、測定された電子のスペクトルから、装置全体をショットごとに再現した。

測定されたこと

• ビームのプロファイル： 軸上を中心とするピークで、幅（半値全幅）は20 mで4.51 m、29 mで6.35 m。開き角は約12.6°。シミュレーションでは4.43 mと6.27 m。
• 20 mの位置では、不要な粒子のほうが数は多いにもかかわらず、検出器に落とされたエネルギーの86.9 %がミューオンによるものだった。
• ミューオンのエネルギー：数GeV、最大で6〜7 GeV。検出器に届くには、ミューオンは少なくとも1.5 GeVが必要だ。
• 画像： 線源から23 mに置いた20 × 25 × 100 cmの鉛の物体を、30発のレーザーショットで画像化した。再構成された大きさは22.5〜25 cmで、実物の厚さは25 cmだ。物体の背後では信号が約26 %下がる。分解能は2.5 cmで、検出器のバー1本の幅にあたる。
• シミュレーションでは、ミューオンがなければ、ガンマ線と中性子ではこの画像はできず、平らなバックグラウンドしか得られない。

空からのミューオンを超えて

著者らによれば、これはレーザー駆動の人工ミューオンビームが主役となった初めての画像化である。人工の線源なら、流量が強く、方向とエネルギーを制御できる。もう空を待つ必要はない。ミューオンスピン分光やニュートリノの研究にも役立つ可能性がある。次のキャンペーンでは、より高い電子エネルギーと、高い流量に対応した検出器を目指す。