J-PARCとは、JAEA（日本原子力研究開発機構）とKEK（高エネルギー加速器研究機構）の共同プロジェクトである大強度陽子加速器施設のこと。簡単に説明してしまうと、陽子を光の速さの99.95%まで加速させることができちゃうすごい施設！陽子を加速していろいろなターゲットにぶつけることで出てくるミューオン（ミュオン、muon）や中性子、ニュートリノなどを使って、いろいろな実験をしています。
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ゆっくり中性子と鏡で実験しよう！中性子光学基礎物理測定装置（NOP）
たんけんJ-PARC、今回は「J-PARCの加速器で作ったゆっくり中性子と鏡を使っていろんな実験をしたい！」という中性子光学基礎物理測定装置、NOP（Neutron Optics and Physics）！
ゆっくり中性子と鏡を使った実験のひとつが、中性子の波の性質を利用した干渉実験です。
中性子は3個のクォークで構成されている粒子です。粒のようなイメージがありますが、実は光と同じように波としての性質も持ってます。中性子のエネルギーが低くなるほど、その波としての性質が強くなっていきます。この波の性質を利用して、NOPでは中性子を使った干渉実験を行っているのです。
干渉実験とは、ひとつの波をふたつの波に分けて、それぞれ異なる経路を通った後に再び重ね合わせた波を観測することで、経路の違いが波に与える影響を詳しく調べる実験です。干渉計などとも呼ばれています。この干渉実験を中性子で行うと、1つの中性子の波が2つの波に分かれて、異なる経路を通ったあとに重なり合わさってもとに戻るという、中性子を粒だと考えてしまうとちょっと不思議なことが起こるのです。
干渉実験では、波が分かれて進む経路が長いほど、その違いがはっきりと現れます。そのため、装置はできるだけ大きくして経路を長くしたいのですが、従来の中性子干渉実験では、波を分けたり反射させたりするのに単一のシリコン結晶を使う必要があり、大きな装置を作ることが困難でした。
そこで、この実験では多層膜中性子ミラーと呼ばれる中性子用の鏡を使います。この鏡は中性子の反射率が高く、反射する中性子の波長を選択できるという特徴を持っています。この多層膜中性子ミラーを使うことで、装置を大きくしたり、いろいろな波長の中性子を利用したりすることができ、性能の良い干渉実験が可能となるのです。
NOPではこの中性子用の鏡を使って、中性子の寿命を他の実験とは異なる方法で精密に観測するという実験も行おうとしています。
粒子の中には何もしないでほうっておくだけで、勝手に別に粒子に変わってしまうようなものがあります。勝手に別の粒子に変わってしまうことを崩壊、崩壊までにかかる時間の目安を寿命と呼んでいます。
中性子の寿命の測定方法には、大きく2つの方法があります。1つは中性子のビームを作ってそのなかの中性子が崩壊して生まれる陽子の数を数えるという方法、もう1つは中性子を容器の中に閉じ込めて、一定時間の後に残っている中性子の数を数えるという方法です。 つまり、「崩壊して生まれた陽子の数を数える」か「崩壊しなかった中性子の数を数える」かのどちらかで中性子の寿命を測定しています。
測定方法によって中性子の性質は変わることはないので、本来ならばこの2つの方法で得られる測定結果は同じになるはずです。ところが、この2つの方法で測定した中性子の寿命は一致しませんでした。不思議。実験に何らかの不備があるのか、あるいはこれまでの理論にはない新しい中性子の壊れ方が存在するのか、とっても興味深い問題になっています。
そこでNOPでは、中性子が崩壊したときに出てくる電子の数を数えるというまた別の方法で中性子の寿命を測定しようとしています。この実験によって中性子の寿命の問題が解決するのか、それとも誰も知らなかった新しい物理が見つかってしまうのか、とっても楽しみです！
写真で見てみる中性子光学基礎物理測定装置
中性子光学基礎物理測定装置の特徴のひとつが、とても遮蔽物が少ないということ。この実験では低いエネルギーの中性子しか使わないため、薄い板などでも十分に中性子を止めてしまうことができるのです。そのため、J-PARCの物質・生命科学実験施設の中でも特に見晴らしの良い（？）実験になっています。
これが中性子の干渉実験をするための装置です。2つの丸い穴の空いた金属板の下に、ガラスの基板が約0.2ミリメートルの隙間を開けた状態で2枚重ねて設置されています。その隙間の部分に2枚の多層膜中性子ミラーが貼り付けられていて、この配置で中性子の干渉実験が行われます。
干渉実験の様子をイメージ図にするとこういう感じ。
横から見ても視認するのは難しいですが、このガラスとガラスの間に2枚の多層膜中性子ミラーが貼り付けられています。実験に使う中性子の波長は0.1～1ナノメートル程度なので、細やかな調整が可能なこの装置で、精密な干渉実験を行うことができます。
この写真は、中性子の寿命を測定するための円筒形の装置を後ろから見たところ。この装置の中に入れたゆっくり中性子が崩壊して出てくる電子の数を正確に数えることで、中性子の寿命を測定しようとしています。
先に説明した2つの実験には直接関係はないのですが、写真の中央にちょっとだけ見える縦向きに置かれた黒い円盤の中には、中性子用の鏡を羽にとりつけたプロペラ（中性子ドップラーシフター）が設置されています。このプロペラにゆっくり中性子を回転方向と同じ方向にぶつけることで、超ゆっくり中性子（超冷中性子、UCN : Ultra Cold Neutrion）を作り出すことができます。
この超ゆっくり中性子、普通の中性子では簡単に通り抜けてしまうような壁でもエネルギーが低すぎて反射してしまう、つまり容器の中に閉じ込められるという面白い特徴を持っています。超ゆっくり中性子を使って、中性子の性質を詳しく調べるような実験も計画しています。
今回のレポートを描くにあたって、中性子光学基礎物理測定装置のいろいろをご説明してくださった名古屋大学の三島さんには大変お世話になりました。お忙しいのにもかかわらず時間を割いていただき、本当にありがとうございます！
中性子光学研究グループのwebサイトはこちら。
https://www2.kek.jp/imss/kens/group/nop.html
J-PARCのwebサイトはこちら。
https://j-parc.jp/c/
付録（マンガの横長ver.）
スライドなどに使いやすそうなレイアウトのマンガです。
素粒子はかわいい。素粒子のイラストやマンガを描いています。博士（理学）