原子核乾板による宇宙線ミューオントモグラフィの開発

摘要

宇宙線ミューオンラジオグラフィとは、超新星爆発などにより発生した宇宙線（陽子やヘリウムなど）が地球に到達し大気中の原子核と衝突することで2次的に発生する粒子群に含まれる素粒子“ミューオン”を利用した大型構造物（火山、原子炉、ピラミッドなど）の非破壊イメージング技術である。このような機構で発生した宇宙線ミューオンは、大気上空から地上に向かって常に降り注いでいる。ミューオンは電子と同じ性質を持ち、その質量は電子の200倍程度である。このような特徴から、物質中での透過力が非常に高く（例えば1000ギガ電子ボルト(1TeV)のエネルギーを持つミューオンであれば岩盤1kmを貫通する事が出来る）、図1に示すようにミューオンが持つエネルギーと貫通力には正の相関がみられる。更に、地球外から飛来する宇宙線により生成されるミューオンは、幅広いエネルギー分布を持ちあらゆる方向から地上に降り注いでいる。ミューオンの方向と位置を検出する装置を観測対象の周囲に設置する事で、観測対象を通過して検出装置まで到達するミューオンを検出する事が出来る。様々なエネルギーを持つミューオンが観測対象へ入射するため、その通過経路中に存在する物質の積算量（物質量または密度長と呼び、通過経路上に存在する物質の質量を積算した量で単位はg/cm~2）に応じて、物質を通過出来るエネルギーを持つミューオンと通過出来ないミューオンの比率が決まる。これにより、観測時間内に観測対象へ入射するミューオンの総数に対して検出装置で検出したミューオンの総数の比率から、ミューオンの通過経路中に存在する物質量を谁定する事が出来る。ミューオンを検出する装置は光学レンズのような集光機構を持たず、ミューオンが通過した位置と角度（軌跡）の測定となる。この位置と角度の情報から観測対象の中のどの経路を通って検出装置へ到達したかを推測する事が出来るため、2次元角度情報としての画像が得られる。実際には、ある角度範囲内で検出したミューオンの積算数から各々の角度範囲が示す方向に存在する物質量等が求められる。このような方法により、物体の内部情報を2次元角度情報の画像として得る事が出来る（図2）。