J-PARC MLF H-Lineとハドロンホール南実験棟で行われている3つの基礎物理実験とその相互関係を紹介します．なぜミュオンが標準模型を超えた新しい物理学へのアプローチに有用なのか，ミュオンのスピンを駆使して初期宇宙の謎を探る方法をご紹介します．

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．

正または負電荷を有するミュオンを利用すると，ミュオニウム(0.114 amu) およびミュオニックヘリウム(4.11 amu)と呼ばれる軽い水素同位体および重い水素同位体をつくりだすことができる．こうした水素同位体を利用することによって新しい化学研究を展開できる可能性がある．本稿では，これまで行われてきた量子論に基づいたミュオニウム関連分子の理論研究を紹介し，その特異性について解説する．

Abstract: Alkali metal clusters with an unpaired electron can be periodically arranged in a body-centered cubic structure in sodalite, a type of aluminosilicate zeolite, to form a Mott insulator accompanied with an antiferromagnetic ordering. This system does not contain any magnetic elements and is a novel magnetic system in which the magnetic order is realized by alkali metal s-electrons. In order to investigate the origin of the s-electron magnetism in detail, we present examples of studies using muon spin rotation/relaxation (μSR), synchrotron radiation Mössbauer spectroscopy, and neutron diffraction techniques. The spatial expansion of the s-electron wave functions of the nanoclusters with increasing alkali metal content has been directly observed by these experimental methods. This enhances the exchange interaction and increases the transition temperature (Néel temperature). A very simple model material of the Mott-Hubbard system is realized in s-electrons. We also point out that there are great expectations for the future contribution of computer science to this material system, especially to μSR experiments.

ミュオンはスピン1/2を持つレプトンという種類の素粒子である． ミュオンのスピンは磁場や電場と双極子能率を通じて相互作用する．ミュオンの異常磁気(双極子)能率は素粒子標準理論において極めて精密に計算することができる．先行研究では，20年前よりその測定値が予想値よりも大きい兆候が示唆され現在に至る．これは素粒子物理学上の重要な未解決問題となっている．現在，米国では従来の方法で新しい測定が行われている．日本ではミュオンを冷却して加速するという新しい方法でこの問題を解決する研究を進めている．本稿ではミュオンの異常磁気能率の精密測定の最前線について平易に解説する．

正の電荷をもつミュオン(μ⁺)は物質に照射されるとミュオンとして，もしくは，物質内で電子を獲得してミュオニウム(Mu)として停止する．生体分子の場合，ミュオニウムは，不飽和結合があるとこれを攻撃してラジカル(ミュオニウム化ラジカル)を生成する．生体物質内に停止したミュオン/ミュオニウムスピンの配向の変化をモニターすることにより，停止位置近傍の電子スピン，原子の核スピンの揺らぎ，また，ミュオンスピン自身の揺らぎについての情報が得られる．特に，正ミュオンは軽いプロトンに相当することから，スピンの揺らぎのモニターは，プロトンの動的挙動についての情報の獲得につながる可能性を有している．現在，J-PARC/MLFで進行中のミュオンスピン回転・緩和・共鳴法(μSR)の生命科学への応用の確立を目指した研究について，これまでの先駆的研究と共に紹介する．

正電荷ミュオンと電子の束縛状態であるミュオニウム(Mu)は，水素原子と極めて状態が似ており，ミュオンを利用した様々な研究で，興味深い役割を果たしている．本稿では，そのなかで素粒子標準理論の精密検証とそれを超えた新物理の探索といった基礎科学的な側面と，ワイドギャップ半導体等での電気伝導性起源の解明といった物質科学への応用という2つの大きく異なる分野でのミュオニウムの役割を簡単に紹介する．

素粒子のひとつであるミュオンは，その負電荷のため電子と同じように原子軌道を作り，ミュオン原子を形成する．ミュオンは電子の207倍の質量があり，その原子軌道は原子核に極めて近い．その一方で，ミュオン原子の形成過程においては，ミュオンを捕獲する原子の電子状態の影響があることが知られている．具体的には，原子へのミュオン捕獲確率や，捕獲されたミュオンの原子軌道の初期の準位は，同じ原子に捕獲された場合であっても分子によって異なる．様々な分子に対するミュオンの捕獲過程の研究から，電子の空間的な分布により捕獲されるミュオンの初期状態が変化することが報告されている．本稿では，これらのミュオン原子形成における化学研究について概観する．

経路積分分子動力学(PIMD)計算により，ミューオニウム化アセトン分子(Mu-ACE)における超微細結合定数(HFCC)を算出した．アセトン酸素原子とミューオニウム間距離(R_OMu)の伸長方向のポテンシャルの非調和性のもとで，ミューオンの大きな量子効果のためにR_OMuは伸長することが分かった．この際，ミューオンがラジカル電子を奪って中性Mu原子としての配置が出現することにより，HFCC値が増大することも分かった．水素化アセトン分子(H-ACE)に対しても同様な計算を実施しところ，HFCC値の実験値の大小関係を定性的に再現することができた．

ミュオン特性X線の特性を利用して，ミュオン特性X線を用いた元素分析法をアルミラミネート型リチウムイオン電池に適用した．その結果，黒鉛負極に析出している金属リチウムの検出に成功した．深さ方向のプロファイルからは，析出位置の特定も可能であることを実証した．今後，電池の再利用やさらなる安全のため，開発現場で役立つものと期待される．

水素の軽い同位体である素粒子ミュオン (Mu) を用いて透明酸化物半導体InGaZnO₄ (IGZO) 中における水素の電子状態を調べた．ミュオンスピン回転法で観測された久保-鳥谷部関数における緩和率Δと，第一原理計算による水素のシミュレーションの組み合わせから，結晶IGZOやアモルファスの薄膜a-IGZO中でのミュオンはZn-Oの結合中心位置で安定化することを明らかにした．ZnOとの類推から，対応する水素はドナーとして働くことを示唆している．高濃度に水素チャージした薄膜a-IGZOでは，スペクトル形状の変化から，一部のミュオンが酸素欠損位置でMu⁻H⁻として存在していることを示唆する結果を得た．

素粒子であるミュオンを物質科学研究に利用するミュオンスピン緩和法(μSR)が開発されてから半世紀が過ぎようとしている．これまで数多くの研究成果が報告されるとともに幅広い研究分野に応用されている．近年，有機分子性物質にける磁性体・超伝導体が数多く開発されるに伴い，μSRの化学分野における利用もポピュラーになりつつある．一方で，μSRの利用が広がるとともに，そこからより詳しい情報を得たいという要求も増大し，計算科学に関するアクティビティも生まれつつある．本稿では，その活動の一環であるミュオン位置計算に関して，最近の著者のスーパーコンピュータを用いたミュオン位置同定に関する研究活動を概観する．