2020 Volume 19 Issue 3 Pages A12-A18
ミュオン科学実験施設(MUSE)は，中性子, ハドロン, ニュートリノ施設とともに，2001年から2008年にかけて建設が許可されたJ-PARC計画の実験領域の一つである． MUSE施設は物質・生命科学実験施設(MLF)の中にあり，中性子とミュオンの両科学プログラムが統合されている． ミュオン製造用黒鉛ターゲットからパイオンやミュオンを効率的に取り出すための二次ミュオンラインは，Dライン, Uライン, Sライン, Hラインの4つのミュオンビームラインから構成されている．パルスミュオンビームの特徴を生かした10の実験エリア (D1, D2, U1A, U1B, S1, S2, S3, S4, H1, H2)において，様々なミュオン関連の実験を可能にしており，様々なシミュレーションコードを用いて，ビームラインの構成要素の設計を行っている．
湯川秀樹博士が中間子の存在が予言したこともあり，日本は，歴史的にみて中間子科学と深い絆で結ばれてきたといっても良いかもしれない．この新しい中間子(パイオン)は実際に発見され，人工的に大型加速器によって作り出せる．今ではパイオンや，パイオンが崩壊して生まれる正・負ミュオンを，水道の蛇口を開けるように，ビームとして容易にとりだせるようになった．
日本国内におけるミュオン科学は，1980年に東京大学理学部中間子科学研究施設から始まった．永嶺先生，山崎先生のご尽力もあって，世界に先駆けて日本の地にパルスミュオン源が誕生した．瞬時強度が強く，RFやレーザー等の他の極端条件と時間的に同期することができる "パルス"という特徴を生かして，数々の研究手法が考案され，幅広い研究が育くまれてきた．しかしながら，ビーム強度(500 MeV/6 μA)という観点から世界を見渡してみると，TRIUMF，PSI等のDCミュオン源，英国ISIS/理研RALのパルスミュオン源に比べると，2-3桁も見劣りするものだった．満を持して登場したのが，3 GeV陽子ビームを用いたJ-PARCミュオン施設(MUSE)である．加速器，MLF建家の建設を経て，MUSEは，2008年9月に稼働し，2009年12月には，KEK-MSLの400倍，理研RALの強度を越える世界最高強度のパルス状ミュオンを生み出すことができるに至った．途中 [1]，2011年の3月の東日本大地震，2013年5月のハドロンホール事故等の二度にわたる中断を経験したが，2014年2月にビーム実験の再開に漕ぎ着けることができた．
MUSEグループは，効率良くパルス状ミュオンを生成し，ユーザーに供給するだけでなく，物質生命科学(MLF)施設の1セクションとして，ミュオン標的，ミュオン-中性子トンネル(通称，NMトンネル)，NMトンネル内陽子ビームライン機器，建家に付属する機器，冷却水設備，電源ケーブル，空調，及び遮蔽ブロック等の設計・製作・保守の責任を担っている．中性子源に至る陽子ビームラインも所掌しているので，高度に放射化する機器を，原則，遠隔操作で，安全に保守できるように設計し，運用していく責任を担っている．そのためには，様々な放射線評価が求められる．
特に，1 MWの3 GeV陽子ビームがミュオン生成標的と衝突して核反応を引き起こし，2次粒子，3次粒子が発生するのか，また，どのような分布で，散乱していき，周りのビームラインコンポーネントに飛び散るのか，加えて，隙間やビームラインダクトをすり抜けて，どれくらいの放射線が実験者がいるエリアに到達するのか(ダクトストリーミング)等の放射線評価を行うことが重要である．さらに，発生した中性子によって，ビームライン機器が高度に放射化するので，陽子ビームが止まってからも，作業者が安全に保守作業を行えるような，建家構造，躯体の壁，鉄遮蔽体の配置，遮蔽厚を最適化した設計が求められる．MUSEでは，高エネルギー粒子輸送コードNMTC/JAM [2]並びに，MCNP等 [3]の放射線輸送計算機コードを用いて，河村氏等が中心になってこれらの放射線評価を行い [4]，以下に述べるような建家を構築した．
NMトンネルは，上流部のビームロスが小さく，放射化の比較的少ないM1トンネルとミュオン標的と，スクレーパなどのビームロスが大きく，あらゆる機器が高度に放射化する領域M2トンネルとに分割されている．Figure 1に陽子ビームラインに沿ったNMトンネルの断面図，平面図を示している．建家的にはM1トンネルとM2トンネルはMLF建家の棟屋の一階部分(< FL10 m)に設けられている．M1トンネルとM2トンネルの境界は，密封性の良い隔壁，並びに非常扉により構成されている．M1トンネルとM2トンネル内に設置される陽子ビームラインをそれぞれM1ライン，M2ラインと命名した．M2ラインでは，各種機器を保守するための空間として，高さ2 mのメインテナンスエリアがFL4-6 mに設けられている．電磁石，標的への電力・信号ケーブル，圧空配管，冷却水配管等の接続はすべてメンテナンスエリアで行われている．その上方向FL6-10 m間には，一つ40-60トンのコンクリートブロック(通称，NMトンネルブロック)を積み重ねて大型機器取扱作業室の天井方向への遮蔽を行っている．
Top Figure is a top view of the MUSE along the primary proton beamline. Bottom Figure is a side view of the MUSE.
遮蔽厚の不十分な標的上部には総重量210トンにも及ぶ鉄シールドブロックが用いられている．二階部分(> FL10 m)にあたる大型機器取扱作業室はミュオン施設から中性子科学実験施設まで一体の空間を占めている．大型機器取扱作業室は，基本的にミュオン標的系，中性子標的系，生体遮蔽系，ビームライン輸送系(電磁石，ダクト，真空装置)などの設置，保守などに使用されいる．特に，FL10 mには，使用済みのミュオン標的集合体，並びに電磁石を一時的に保管する保管ピットが標的用3セット，電磁石用2セット用意されている．
MLF建家は，2003年4月より見直されてきた建家設計が終了し，2004年初旬より，当初予定の10ヶ月遅れで建設が開始された．2006年6月末に仮開口部が閉鎖され，2007年12月に竣工した．
MUSEの第1ミュオン標的として，直径70 φ，20 mm厚の円板状のグラファイトを，銅製のフレームで"周り"から間接冷却するという，所謂，エッジ冷却方式のグラファイト固定標的を採用した．
3 GeVの陽子ビームが 20 mm厚のグラファイトを通過したとき，94%程度は通り抜けるが，残りの6%は，標的自身や標的下流に，最終的には熱としてまき散らされる．陽子ビーム(25 Hz)強度が1 MWの条件では，3.5 kWの熱が標的に付与される．蒸気圧を考慮して1,500 °C以下に保つという絶対条件の下に，有限要素法ANSYSコードを用いて，以下の5項目に関する熱，応力の詳細設計 [5, 6]を行った．
① 標的の温度勾配による応力発生．
② 銅フレームにより拘束される径方向へ伸縮．
③ 銅と炭素の線膨張係数の違いによる応力．
④ 中性子照射による熱伝導度の劣化．
⑤ パルス的なショック波の影響
これらの条件の元でのシミュレーションと試作機による経験を積み，最終的に，3重のSUS316の冷却配管を銅フレームに埋め込む手法として，HIP加工を採用した．これは，高温状態で，アルゴンガスなどで等方的に加圧しながら接合する加工法である．また，チタン合金(2 mm厚)をグラファイトと銅フレームの間に緩衝材として真空ロウ付けする技術開発も行った．Figure 2に標的の模式図，ミュオン標的集合体の写真を示す．一方で，2014年度からは，1 MWの大強度陽子ビーム強度が得られるべく，LINIACの入射エネルギーが400 MeVに増強されたこともあり，ミュオン標的も固定標的ではなく，回転標的に移行したが，今回は，割愛する．
A schematic drawing of the target assembly. For the graphite material, we adopted an isotropic graphite IG-43 which has a thermal conductivity of 139 W/mK, density 1.82 g/cm2 at 300 K, thermal expansion 4.8 ppm/C, Young's modulus 10.8 GPa, Poisson's ratio 0.28 at room temperature.
ミュオンは，電子と同じレプトン(軽粒子)の仲間に属する不安定素粒子である．質量は，陽子の1/9，電子の200倍程度で，正と負の電荷を持つ正ミュオン (μ+)，負ミュオン(μ−)が存在する．世界中に点在するミュオン工場では，低速(表面)ミュオンと高速(崩壊)ミュオンという2種類のミュオンビームが得られる． 前者は，陽子ビームライン上に設置された生成標的に一旦止まった正パイオン(π+)から生まれる．静止したπ+から生まれるので，π+の運動エネルギーを背負うことなく，最大4 MeV程度の低速正ミュオン(μ+)が得られる． この低速 μ+は，打ち込み深さ(飛程)が0.1-1 mm程度と短く，実験をおこなう際に，少量の試料を用意するだけで良いというメリットがある．ユーザーフレンドリーなミュオンビームとして，これまでも様々な物質科学研究に使われてきた．一方，生成標的に一旦止まってしまったπ−は，直ぐに原子核に捕獲されるので，残念ながら，負の表面(低速)μ−は，取り出すことができない．後者は，ミュオン標的で生まれたパイオン(π+，π−)を効率良く電磁石で取り込み，エネルギーを選択した後，長尺の超伝導ソレノイド中で効率良く閉じこめながら飛行させ，崩壊させる事で得られる． パイオンの進行方向に放出されたミュオンをフォワードミュオン，逆向きに放出されたミュオンのバックワードミュオンと呼ぶ． 低速(表面)ミュオンと比べて，エネルギーの高いミュオンビーム(μ+，μ−)が得られる．ビームラインの極性を反転させるだけで，μ+或いは，μ−ビームを選択的に取り出すことができる．
3 GeV 陽子ビームラインに設置されたミュオン第1標的から，下流60度の取り出し角度で，2本のミュオンライン(Dライン，Hライン)，上流方向には135度の取り出し角度で2本の低速(表面)ミュオンライン(Sライン，Uライン)，合計4本の2次ビームラインが接続される．Figure 3にMUSE施設の全体レイアウトを示す．ビームラインのミュオンビーム引き出しに関しては，TRANSPORT [7], TURTLE [8] ならびに，G4ビームライン等のビームシミュレーションコード [9]を用いて最適化した．
A layout of J-PARC Muon Facility, MUSE. The J-PARC MUSE is designed to extract efficiently either pions or muons from a muon production graphite target to the four muon beamlines, the so-called D-Line, U-Line, S-Line and H-Line, enabling a variety of muon related experiments, at the ten experimental areas (D1, D2, U1A, U1B, S1, S2, S3, S4, H1 and H2) utilizing unique features of the pulsed muon beams.
建設済み並びに，建設中・建設予定の2次ミュオンラインミュオンラインは以下のように要約される．
5.1 低速・高速汎用ミュオンビームライン:D−ラインDラインは，MUSEで最初に建設されたミュオンビームラインであり，強度のみでなくその性質においても最高性能のパルスミュオン源を，是が非にも日本の地に誕生させる事を錦の御旗に，その建設が推し進められてきた．π±を閉じ込めながら長い距離飛行させ，μ±に変換するための超伝導ソレノイド磁石(長さ6 m，有効内直径12 cm，中心磁界5テスラ)を，KEKから移設し，ビームラインを完成させた．2008年9月に [10]，上述のグラファイト標的を陽子ビームラインに挿入し，本ビームラインでのパルスミュオンビームの取り出しに成功した． このビームラインでは，上述した高速ミュオンのみならず，低速ミュオンのどちらも引き出すことができる． また，ビームラインの極性を反転させるだけで，μ+或いは，μ−ビームを選択的に取り出すことができる．
Dラインでは，世界最高強度を誇るパルスミュオンビーム(以下に述べる低速(正)ミュオンと，高速(正負)ミュオン)を用いて，物性材料研究，ミュオン触媒核融合等の先端的な研究を始め，素粒子物理学，原子核物理学，原子分子物理等の基礎的研究，化学，生物学，医学への応用と幅広い学際領域にわたる科学研究，分析を展開することができる．
5.1.1 低速(正)ミュオン(表面ミュオン)2008年12月には20 kWの陽子ビーム出力だったが，共同利用ユーザーの為に本格的な供用運転を開始することができた．その後，加速器の性能向上によって，2009年11月以降には120 kW，12月には，300 kWの陽子ビーム強度に到達した．それに伴って，ミュオンビーム強度も増強され，120 kWでの定常運転の際に，崩壊陽電子用の検出器を用いてミュオン数を実測し，その後詳細な解析を行った結果，1パルス当たり72,000個のミュオンが実験エリアに引き出せていることを確認した．また300 kW運転時には，その約3倍(180,000個)のミュオン強度が得られる事も確認した．これらのことにより英国の同種ミュオン源で得られる1パルス当たりミュオン数約30,000個を上回り，世界最高強度のパルスミュオン発生(1MW運転時には，1.8 × 107μ+/秒に相当)に成功したことを確認し，プレス発表した [11]．竹下氏等はMUSEで最初の実験を行い，コバルトドープした鉄系の超伝導体の研究で，コバルトの周りに島状に超伝導が成長する現象を見いだした． 超伝導相と磁性相が共存していても，その割合をμSR法で知ることができるという特徴を生かした実験だ． J-PARC発の論文第一号をMUSEから産み出すことができたという意味でも記念すべき研究成果であった． [12]
5.1.2 負ミュオン負ミュオンが物質中の原子に捕獲される過程で100%の確率で放出されるミュオン特性X線は其々の原子に固有のスペクトラムを持ち，しかも検出の容易な高いエネルギーを持っている．負ミュオンを用いれば，水素やリチウムをはじめとした軽元素であっても極めて高い収率で検出できる．このため，負ミュオンビームはX線蛍光分析をはるかに凌ぐ超高感度の元素分析手段として期待されながら，負ミュオンは従来のミュオン施設では十分な収量が得られず，負ミュオン元素分析の実用研究はJ-PARC以外のミュオン施設ではほとんど実施されていなかった．実質的に初めてJ-PARC/MUSEにおいて世界最高強度のパルス負ミュオン研究が実用化されたと云って過言ではない．この様な背景の下，パルス負ミュオンビームを物質中に打ち込み，任意の深さ(例えばグラファイト中で100 nmから60 mmの任意の深さ)に止める，負ミュオン特性X線分析の短時間測定や3次元の元素分布イメージング測定までもが可能である．ミュオンの打ち込み深さは，ミュオンの運動エネルギーを調整する事で，任意の深さに微調整することができる．実際実験では，放射線挙動を核反応モデルや核データなどを用いて模擬するモンテカルロ計算PHITS [13]や，TRIM code [14]を用いている．
5.2 超低速ミュオンビームライン:U-ラインU-ラインは，大強度超低速μ+(0.05-30 keV可変)を生成すること目的として建設されたミュオンビームラインである．U-ラインでは，ミュオン標的から飛び出してくる低速μ+を，大口径ソレノイド磁石系によって捕獲し，効率よく実験室に輸送する新しい概念の軸収束ミュオンビームラインである [15]．取り込み立体角は，400 mSrにも及び，従来の四重極電磁石による取り込みに比べると，ほぼ10倍以上の低速ミュオン収量の増強が見込める．2012年度11月に行われたコミッショニングで，陽子ビーム強度212 kWの条件で，世界最高強度となる1パルスあたりのミュオン強度800,000個(212 kW)を達成した．これは2010年に自身が達成した1パルスあたり72,000個(120 kW)，180,000個(300 kW)を凌駕し，世界でも群を抜いた強度である．J-PARCの最終設計仕様である1 MWの陽子ビーム強度では，毎秒4 × 108 個もの世界最高強度のパルス低速(表面)μ+を引き出す事を実証した．
超低速μ+ビームを得るためには，熱エネルギーのミュオニウム (Mu:μ+e−)からパルス状レーザーを用いて，電子をはぎとる事で得られる． [16]
5.3 低速(表面)ミュオンビームライン:Sライン物質研究者からの要望の多い，低速(表面)μ+専用ビームラインを建設された．ビーム時間構造に正確なパルス形状の静電キッカー装置，ビームスライサーにより106 μ+/秒を超える強度のビームを4つの実験エリアへ同時に供給される．4つあるビーム実験エリアの内，S1エリアまでの建設が2017年度に終了し，ユーザー実験が行われている．S2エリアに関しても，2020年度中には，建設が終了し，Muの1 s−2 sの精密測定実験が行われる予定である．
5.4 高速ミュオンビームライン:HラインHラインでは，250 MeV/cを越える高運動量ミュオン(μ±)ビームを引き出し，ミュオン触媒核融合実験などの高温・高圧実験を行うことを想定していたが，素粒子原子核分野の基礎物理実験を展開する新たな提案がなされていることもあり，Uラインと同様に，大口径ソレノイドにより，大立体角で，ミュオン，ないしは，電子を引き出すビームラインを設計した． [17] 特に，H1エリアでは，ミュオニウムの超微細構造の精密測定や第2世代のレプトンであるミュオンから第1世代のレプトンへの変換現象を精密に測定する実験，H2エリアでは，180 MeV/cまで加速して，ミュオンを波として扱う，透過型ミュオン顕微鏡計画，更に300 MeV/cまで加速して，ミュオン異常磁気能率の精密測定(g−2)やEDM等の比較的長期間にわたる基礎物理実験を行われる予定である．
現在建設中のミュオンHラインのビームラインに必要とされる電力は約5 MWに達し，MLF既存の受電設備では賄えないため，MLF第一実験ホール搬入口のそばに屋外受変電ヤードを建設され，2020年度末には，H1エリアまでの建設が終了する予定である．
本稿では，J-PARCミュオン施設MUSEの施設，建家，ビームラインを紹介した．計算機シミュレーションとの関連では，第1章では，高エネルギー粒子輸送コードNMTC/JAM 並びに，MCNP等の放射線輸送計算機コードを用いて設計したミュオン施設・建家の構造，設計を紹介した．第2章では，有限要素法ANSYSコードを用いた設計したミュオン標的を紹介した．第4章では，ビーム輸送コードであるTRANSPORT，TURTLEならびに，G4ビームラインを用いたミュオンビームラインの設計，並びに，TRIMコード等を用いて実験の際に，打ち込み深さを評価していることなどを紹介した．以上，計算機シミュレーションとミュオン研究が，深く関わりあっていることを紹介した．
