検出器の研究開発、磁場設計、電磁石設計などのモノづくりを通して量子ビームに関する高度専門技術者・研究者の育成

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1 検出器の研究開発、磁場設計、電磁石設計などのモノづくりを通して量子ビームに関する高度専門技術者・研究者の育成
今後の抱負 教育の取り組み J-PARC/MLF ミュオンHラインを育てる 量子ビーム実験に習熟 検出器の研究開発、磁場設計、電磁石設計などのモノづくりを通して量子ビームに関する高度専門技術者・研究者の育成 　　　　産業応用 物質材料科学、磁性物理、 生体化学 ノーベル賞級の基礎研究 標準理論を超えた物理 J-PARC等関連研究機関との連携 高エネ研　加速器研究施設 　　　　　素粒子原子核研究所 　　　　　物質構造研究所 　　　　　低温センター J-PARC センター 日本原子力開発機構 米国　Brookhaven国立研究所 　　　　　　　　　　　　など　　　　　　　 資材豊富 日本・米国での加速器施設での経験 ＋ 企業で働いた経験

2 大型加速器施設でのビームを用いた開発経験
荷電粒子ビームの経験：ユーザ、ビームを提供する側、自らビームを設計する立場で 米国Brookhaven国立研究所 偏極陽子ビーム衝突実験 偏極度計グループ PHENIX実験グループ 高エネ研つくばキャンパス SuperKEKB加速器建設 e+ e- J-PARC/MLF ミュオンHライン 科研費研究：電子銃テストベンチ

3 超冷ミュオンビームを実現する テスト実験＠J-PARC MLF D2ミュオンライン
2016年度　Mu生成実験 共同研究 KEK素核研、物構研、 JAEA、総研大 東京大学、東京工業大学 理化学研究所、大阪大学 ソウル大学 2016年度 + 加速試験 Mu-加速試験 ミュオンビーム産業利用促進に直結する研究

4 世界最高の調整磁場を作る KEK低温センター＆企業との連携研究 + 東京大学学際理学 Mu HFS用磁石の磁場調整試験
April, 2015 超精密磁場調整シミング手法の習得 シミング用鉄片配置ポケット半径0.72mで長さ1.80mとし、24(軸方向)x21（周回方向）個を配置 [1] M. Abe, K. Shibata, “Consideration on Current and Coil Block Placements with Good Homogeneity for MRI Magnets using Truncated SVD”, IEEE Trans. Magn., vol. 49, no. 6, pp , June [2]阿部充志　他、特許第４９０２７８７号、「MRI装置用磁場調整」、 　　　　　平成24年１月13日登録、日本国特許庁

5 産業応用を目指して

6 Transmission  Microscopy
ミューオン顕微鏡 T  M Transmission  Microscopy レーザー照射したミューオニウムから0.2eVの超低速ミューオンを60万個/秒生成 パルスあたり１００Jの大強度ラインマンαレーザーの開発

7 超電導収束磁石磁場測定・磁場中心測定で貢献できないか？
TEM TM 3D reconstruction Muon image (Bulk sample) Electron image (Sliced sample) (Bulk sample) 超電導収束磁石磁場測定・磁場中心測定で貢献できないか？ 将来：ミューオン電子ラベル法　 DNA電子伝達の測定 Torikai et al, 2001 高エネルギーの 電子は放射や対生成をおこす。 陽子は核反応を起こす。 ミューオンは透過能が高い(同じエネルギーの電子の200 倍) 生体細胞、臓器、電池の電極など Wet/Pressured Materials

8 H-Line U-Line g-2/EDM Constantly-available TμM machine
Muon production target g-2/EDM D-Line Extension building S-Line 3 GeV proton beam We will demonstrate and continue to develop the TμM technique at U-Line. And, in the future, we are planning to construct a constantly-available TμM machine at H-Line. H-Line U-Line Constantly-available TμM machine TμM demonstration and development

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10 物質科学の強力なツール 様々な量子ビームの散乱・共鳴
中性子散乱 SR (+SR, MuSR, SR) NMR ESR/EPR 磁性 磁気構造の詳細 長距離秩序 磁性の変化を検出 短距離秩序 電子スピン 時間窓 <ナノ秒 動的（弾性散乱） 1ナノ秒~10μ秒 静的 >10μ秒 より静的 ~6Å 1ピコ秒~1μ秒 ~100Å 試料 大型単結晶 単結晶・多結晶 生体細胞、臓器、電池、金属タンパク質…. H, Cを含むもの 生体 遷移金属イオンもしくは有機化合物中のフリーラジカル、 金属タンパク質 例：ESRとμSR分光を相補的に用いて、強相関系における新しい基底状態、励起状態の研究 (2000~2003科研費) 生化学の分野の応用にも期待 中性子と相補的に、空間的に乱れた磁気的状態の研究に対してもっとも威力を発揮。これらの性質の応用として、例えば第二種超伝導体の磁束状態では磁束のまわりの磁場分布を直接詳細に観察でき、そこから超伝導の性質に関る様々な物理量を引きだす

11 Backups

12 SR：3種の実験法のまとめ +SR MuSR SR 偏極度 100% 50% 18% 空間分布 1+0.33cos
寿命 2.2s 2.2s～80ns 電子放出率 100～4% 1ガウスの外部磁場での回転周波数(kHz) 13.554 1390 13.554(1-) 結晶中の位置 格子間位置 結晶原子核に捕獲 性格 軽い陽子 軽い中性水素原子 疑似原子核 主要研究対象 格子間磁性拡散・空孔捕獲 化学反応 原子核周辺の電子構造 MuはHの質量1/9の同位体 歳差運動周期はミューオンの100倍 偏極度は50% （外部磁場ゼロの場合)

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14 物質の中のスピン状態を知る 分析プローブ 散乱 共鳴 偏極子ビームの散乱 SR ミューオンスピン共鳴 中性子核散乱+磁気散乱
物質の中のスピン状態を知る　分析プローブ 散乱 共鳴 偏極子ビームの散乱 中性子核散乱+磁気散乱 電子と核子の弾性散乱(Motto散乱) スピン軌道相互作用(LS力） NMR 核磁気共鳴　(~6Å) EPR(ESR) 電子スピン共鳴(~100Å) SR ミューオンスピン共鳴 崩壊陽電子検出 物質のスピン状態が変わるエネルギー順位  マイクロ波の吸収、励起 標的試料 (スピン偏極)ビーム 前方散乱 (角度依存性) ディラックコーン

15 “On the polarization of Fast Neutrons”
スピン依存した散乱事象の測定：私のD論 標的試料 (スピン偏極)ビーム 前方散乱 (角度依存性) 右 左 陽子スピンの起源を探る クォーク、グル―オンのスピン分布 世界唯一の偏極陽子加速器 ビーム偏極度計の開発 運動量移行: PLB 638 (2006), PRD (2009) 偏極陽子ビームをスピン偏極水素ガス標的にぶつけて断線散乱イベントのスピン依存性を測定する AN : 偏極能の測定 1946年　Schwinger “On the polarization of Fast Neutrons”

16 鉄系超伝導物質で新しい型の磁気秩序相を発見 3つの量子ビームプローブを相補利用するマルチプローブ手法で新物質開発に指針
X=0.45では局所的周り(0.5nm)な不均一磁場のため減偏極する。 超伝導である領域の体積分率 中性子散乱 X=0.51 鉄酸素ニクタイド超伝導体における2つの磁性母相 図3 LaFeAs(O1-xHx)の電子状態相図 第二の超伝導領域(SC2)に隣接して水素置換濃度xが0.4を超えた領域で今回発見された第二の磁気秩序相(AF2)が現れる。●がミュオン・スピン回転法・中性子回折により同定された磁気転移温度(TN)、■,▲が放射光により同定された構造変化の温度(TS,TS')。図の中央上段は中性子回折で同定された磁気構造。左上がx=0の母物質中での磁気相(AF1)、右上が今回見つかった新たな磁気相(AF2)、矢印はFe2As2層で鉄イオンが持つ磁気モーメントの向きを示す。下段では構造変化に伴う鉄およびヒ素の原子位置の変化の向きと大きさを模式的に示した。(平石・他、DOI: /NPHYS2906)

17 時間対称性(T)の破れ EDM レプトンEDM 電子EDM Fr 東北大CYRIC ミューオンEDM KEK/J-PARC
原子核を用いたEDM(quark) Xe 東工大 中性子EDM 大強度UCN, KEK 冷却Yb 京都大

18 TμMは厚みのある試料もOK Biological tissue Neural network Biological cell
同じエネルギーの時、量子ドットの電位差の感度が高い 同じ電位差のとき、高いミューオンエネルギー厚い資料 もOK Biological tissue Neural network Biological cell 白黒のイメージになります。この中に、その白黒の階調(コントラスト)でその試料がもつ情報が入っているため、そのコントラストが何を意味するのか、また、なぜそのようなコントラストがつくのかを理解することは、TEMの写真を解釈する上で非常に重要になります。一般にTEMのコントラストは大別して以下の三つに分けられます。 １）散乱コントラスト ２）回折コントラスト ３）位相(差)コントラスト 　電位障壁 異なる電子濃度または正孔濃度をもつ半導体が接する際に，半導体間に形成される電位差。この電位差が電子あるいは正孔に対する電気的障壁となる。 空間分解能 20 MeV 波長が小さいので位相(差)コントラストが大 きい