2025年 | プレスリリース?研究成果

【本学研究者情報】

〇大学院大学院理学研究科化学専攻
教授　木野康志（きのやすし）
研究室ウェブサイト

〇大学院理学研究科天文学専攻
　准教授　野田博文（のだひろふみ）
　専攻ウェブサイト

【発表のポイント】

• 「多価ミュオンイオン」の存在は理論的に予想されていたものの、X線検出器のエネルギー分解能の限界や、周囲の原子からの速い電荷移行反応により、実験的な観測は困難であった。
• 茨城県東海村の大強度陽子加速器施設（J-PARC）の大強度ミュオンビームとTES検出器を組み合わせることで、低圧の気体原子を標的としたX線分光実験が実現し、電荷移行反応を抑制した条件下の測定が可能になった。
• TES検出器の卓越したエネルギー分解能により、多価ミュオンイオンに束縛された電子の個数およびその量子状態までを識別して観測することに成功した。

【概要】

東京都立大学大学院理学研究科 化学専攻の奥村拓馬 准教授、理化学研究所開拓研究所の東俊行 主任研究員（高エネルギー加速器研究機構量子場計測システム国際拠点特任教授）、同開拓研究所の橋本直 理研ECL研究チームリーダー（仁科加速器科学研究センター理研ECL研究チームリーダー）、高エネルギー加速器研究機構量子場計測システム国際拠点の早川亮大 研究員、同物質構造科学研究所の下村浩一郎 特別教授、自然科学研究機構核融合科学研究所研究部 プラズマ量子プロセスユニットの加藤太治 教授、東北大学大学院理学研究科 化学専攻の木野康志 教授、同研究科天文学専攻の野田博文 准教授、立教大学理学部物理学科の山田真也 准教授、中部大学の岡田信二 教授、外山裕一 特任助教、東京大学国際高等研究所カブリ数物連携宇宙研究機構の高橋忠幸 特任教授、筑波大学計算科学研究センターのTong Xiao-Min 准教授らによる研究グループは、最先端のX線検出器である「超伝導転移端センサーマイクロカロリメータ（Transition-Edge Sensor: TES）」（注1）を駆使し、新たなエキゾチック原子（注2）系「多価ミュオンイオン」の観測に成功しました。多価ミュオンイオンは、1つの原子核が少数の電子と負電荷を帯びた素粒子「負ミュオン」（注3）を同時に束縛した原子系です。これまで理論的には存在が予測されていましたが、実験的に直接観測されたのは今回が初めてです。多価ミュオンイオンは、正電荷をもつ原子核が異種の負電荷をもつ粒子を同時に束縛するという、他に類のないユニークな系であり、新たな量子少数多体系（注4）としての関心に加え、負ミュオンと原子?分子の相互作用を探る新たなプローブとしての可能性も秘めています。　本研究は、科学雑誌『Physical Review Letters』のEditors' Suggestionに選ばれ、オンライン版（6月16日付）に掲載されました。

【用語解説】

（注1）超伝導転移端センサーマイクロカロリメータTES
マイクロカロリメータとは、X線のエネルギーを吸収による温度上昇として測定する装置であり、吸収体と温度センサーから構成される。TES（Transition Edge Sensor）検出器は、この温度センサーに超伝導体を用いたマイクロカロリメータである。超伝導体は、超伝導転移温度付近において、電気抵抗がゼロから有限値へ急激に変化するという性質を持つ。このため、超伝導体を転移温度よりもわずかに低い温度で維持し吸収体と熱的に接触させることで、X線吸収に伴うわずかな温度上昇を大きな電気抵抗変化として捉えることが可能である。TES検出器は、この超伝導体の鋭敏な温度応答性を活用することで、極めて高いエネルギー分解能を実現している。

（注2）エキゾチック原子
通常の原子は、陽子と中性子から成る原子核と、その周囲を取り巻く電子から構成されている。これに対し、原子を構成する粒子の一部を他の粒子で置き換えた原子系は、「エキゾチック原子」と呼ばれている。たとえば、電子を負ミュオンで置き換えた原子はエキゾチック原子の一種であり、「ミュオン原子」と称される。本研究で観測に成功した「多価ミュオンイオン」は、ミュオン原子から複数の電子が失われた高電荷状態のミュオン原子である。

（注3）負ミュオン
ミュオンは第二世代のレプトンに分類される素粒子であり、正の電荷を帯びた正ミュオンと負の電荷を帯びた負ミュオンが存在する。特に負ミュオンは電子と非常によく似た性質を持つが、電子との主な違いは質量にあり、その質量は電子の207倍である。また、その寿命は2.2 μs（マイクロ秒、100万分の1秒）であり、電子とニュートリノに崩壊する。

（注4）量子少数多体系
量子力学において複数の粒子から構成される系を量子少数多体系と呼ぶ。複数の粒子が互いに力を及ぼし合いながら強く作用し合い、理論的な取り扱いが極めて難解となるため、量子力学における重要なトピックの一つとされている。多価ミュオンイオンは、原子核と負ミュオンに加え、さらに複数の電子が束縛された系であり、通常の原子や分子には存在しない、負ミュオンと電子の特徴的な相関を示す量子少数多体系である。

【論文情報】

タイトル：Few-electron highly charged muonic Ar atoms verified by electronic K x rays
著者： T. Okumura, T. Azuma, D. A. Bennett, W. B. Doriese, M. S. Durkin, J. W. Fowler, J. D. Gard, T.　Hashimoto, R. Hayakawa, Y. Ichinohe, P. Indelicato, T. Isobe, S. Kanda, D. Kato, M. Katsuragawa, N. Kawamura, Y. Kino, N. Kominato, Y. Miyake, K. M. Morgan, H. Noda, G. C. O'Neil, S. Okada, K. Okutsu, N. Paul, C. D. Reintsema, T. Sato, D. R. Schmidt, K. Shimomura, P. Strasser, D. S. Swetz, T. Takahashi, S. Takeda, S. Takeshita, M. Tampo, H. Tatsuno, K. T?kési, X. M. Tong, Y. Toyama, J. N. Ullom, S. Watanabe, S. Yamada, and T. Yamashita
掲載誌：Physical Review Letters
DOI：10.1103/PhysRevLett.134.243001

詳細（プレスリリース本文）

問い合わせ先

（研究に関すること）
東北大学大学院理学研究科化学専攻
教授 木野康志（きのやすし）
電話：022-795-6596
Email：yasushi.kino.e5*tohoku.ac.jp
（*を@に置き換えてください）

東北大学大学院理学研究科天文学専攻
准教授 野田博文（のだひろふみ）
電話：022-795-6535
Email：hirofumi.noda*astr.tohoku.ac.jp
（*を@に置き換えてください）

（報道に関すること）
東北大学大学院理学研究科
広報?アウトリーチ支援室
TEL：022-795-6708
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（*を@に置き換えてください）