Measurement of directional muon beams generated at the Berkeley Lab Laser Accelerator

巨大で古めかしい城の写真を撮ろうとしていると想像してみてください。しかし、あなたは城を動かすことはできず、その厚い石壁を透かして見るほど強力な懐中電灯も持っていません。物理学の世界では、科学者たちはこの謎を解くために、「ミューオン」と呼ばれる特別な種類の「幽霊粒子」を使用します。ミューオンは宇宙から地球へと降り注ぐ、コスミック・メッセンジャー（宇宙からの伝令）のようなものです。これらは重くて速く、驚異的な強靭さを備えており、山や鋼鉄をも止まることなく突き抜けることができます。その透過力の高さゆえに、科学者は火山の中やピラミッドの隠された部屋のように、隠れたものの写真を撮るためにミューオンを利用しています。この技術は「ミューグラフィ」と呼ばれます。

しかし、一つ問題があります。宇宙からのミューオンは、穏やかで一定した霧雨のようなものです。それらはゆっくりとランダムに到着するため、大きな物体を鮮明に撮影するには、十分な数の粒子が検出器に当たるまで数ヶ月、あるいは数年も待たなければならないかもしれません。それは、一時間に一滴ずつ落ちてくる水でバケツを満たそうとするようなものです。このプロセスをより迅速かつ実用的にするために、科学者たちは実験室の中で直接、独自の「ミューオンの雨」を作り出す方法を探してきました。それが、強力なレーザーを使用して集中した粒子のビームをオンデマンドで射出するという挑戦です。これは、ローレンス・バークレー国立研究所による新しい研究が取り組んでいる課題です。

レーザー駆動型ミューオン工場

この刺激的な最新の研究において、バークレー研究所のレーザー加速器施設（BELLA）の研究チームは、高出力レーザーを用いて指向性のあるミューオンビームを作成する方法の実証に成功しました。彼らのセットアップを、粒子を使ったパチンコ（スリングショット）と考えてみてください。彼らは、わずか約40フェムト秒（つまり0.00000000000004秒！）という極めて短い時間続く巨大なレーザーパルスを、水素ガスのジェットに向けて発射しました。この相互作用は海にできる波紋のように機能し、「プラズマ波」を生み出し、電子を捕らえて最大9.2 GeV（ギガ電子ボルト）もの驚異的な速度まで加速させました。

これらの超高速電子の準備ができたら、チームはただそれらを空間へ飛ばすだけではありませんでした。代わりに、彼らはそのビームを鉛、鋼鉄、コンクリートで作られた巨大な遮蔽ブロック、いわば巨大な壁へと誘導しました。高速の電子がこの壁に衝突すると、単に停止するのではなく、連鎖反応を引き起こしました。この衝突によって、科学者が追い求めていたミューオンを含む、新たな粒子のシャワーが発生したのです。

大いなるミューオン探索：幽霊を見つける

チームは、厚いコンクリート壁の背後にある部屋に「罠」を仕掛けました。彼らはシンチレータと呼ばれる特殊な検出器を用いました。これは、粒子が当たると光を発するプラスチックパネルです。しかし、ここでの難しい点は、レーザーが発射されると同時に、（光子や電子といった）混沌とした他の粒子の嵐も発生することでした。もし科学者たちが単に光のフラッシュを探していたら、目も眩むようなノイズの中に埋もれてしまい、そこにミューオンがいるかどうかさえ判断できなかったでしょう。

そこで研究者たちは、時間に基づいた巧妙なトリックを使いました。ほとんどの粒子は瞬時に検出器を通り過ぎますが、一部のミューオンは十分に遅いため、プラスチックの中に留まると分かっていました。一度留まったこれらのミューオンは、電子と光のバーストへと崩壊する前に、ごくわずかな時間（約2.2マイクロ秒）生存します。この「遅延信号」を待つことで、チームはノイズをフィルタリングし、「これこそがミューオンだ！」と自信を持って断定することができたのです。

明らかになったこと：二つの異なるミューオンの流れ

実験の結果、非常に興味深いことが判明しました。ミューオンはすべて同じ場所から来ているわけでも、同じように振る舞っているわけでもありませんでした。チームは、まるで川における二種類の魚を見つけるように、二つの明確な「流れ」を特定しました。

1. 方向性を持つストリーム（「狙撃手」）： 一部のミューオンは、ビームダンプ内の重い鉛ブロックの中で直接誕生していました。これらは「ペア生成」と呼ばれるプロセスを通じて作成されました。ここでは高エネルギーの光子が、ダイレクトにミューオンと反ミューオンに変化します。これらのミューオンは狙撃手のようでした。高いエネルギーを持ち、タイトで直線的な経路を進み、元の電子ビームと同じ方向に進み続けました。シミュレーションによれば、これらのミューオンは約100ミリラジアンの狭い円錐内に閉じ込められていました。
2. 散乱するストリーム（「群衆」）： もう一方のミューオンは別のソースから来ていました。電子ビームがダンプに向かう際、装置の他の金属部品（磁気分光計など）に接触しました。これらの相互作用により、中間子と呼ばれる短寿命の粒子が生じ、それがその後ミューオンへと崩壊しました。これらのミューオンは散らかった群衆のようであり、強い方向性がなく、あらゆる角度に広がっていました。また、エネルギーも低く、主にビームの中心から離れた場所に存在していました。

データはこの分裂を裏付けていました。検出器をビームの経路上（オンアクシス）に配置した場合、捉えられるミューオンは非常に少なく（ショットの約1.9％）、一方で検出器を横に1メートル移動させた場合（オフアクシス）、その数は大幅に増加しました（ショットの約14.4％）。これは、「散乱した群衆」である中間子崩壊由来のミューオンが、ビームから離れた領域を支配している一方で、「狙撃手」としてのミューオンは中心付近に固まって留まっていることを証明しました。

なぜこれが重要なのか

研究者たちは、何が起きているのかを正確にモデル化するために、強力なコンピュータ・シミュレーション（Geant4ツールキットに基づく）を使用しました。これらのシミュレーションは現実世界の測定値とほぼ完璧に一致しており、結果に対する高い信頼性を与えました。彼らは、自分たちのレーザー駆動光源が、自然界の宇宙線ミューオンよりも桁違いに高いレートでミューオンを生成できることを発見しました。

現在のセットアップでは既存の遮蔽物を使用してミューオンを生成していますが、将来、プロセスをさらに効率化するための専用ターゲットを設計することも可能だとチームは示唆しています。もし、毎秒数千回照射できるような（従来の毎秒1回ではなく）高速なレーザーシステムを構築できれば、火山や原子炉のような大きな対象物を、数ヶ月ではなくわずか数分でスキャンできるようになるかもしれません。

この論文は、レーザー駆動型のミューオン源が可能であることを示唆するだけでなく、それが実際に機能することを立証しています。これにより、ラボ内でコンパクトで指向性のある幽霊粒子のビームを作ることが可能になり、宇宙からの贈り物を待つ必要のない、高速で高解像度なイメージングの新時代への扉が開かれました。著者らは、さらなるエネルギーを目指して複数のレーラー加速器を段階的に設置するなどの改善が進めば、この技術が私たちの周囲の見えない世界を見る方法を革命的に変える可能性があると結論づけています。