超冷中性子の生成に成功 — 時間反転対称性の破れを探る国際共同研究が前進
2025年7月4日 更新
2025年6月13日に京都大学複合原子力科学研究所が参画するTUCAN（TRIUMF Ultracold Advanced Neutron）国際共同研究が、カナダ国立加速器研究所TRIUMFにて、超冷中性子（UCN: Ultracold Neutrons）の生成に成功しました。
図１：TUCAN実験が位置するTRIUMF Meson Hall。中央に高強度UCN源。
UCNとは、極めて低エネルギー状態（100ナノ電子ボルト程度）まで冷却された中性子のことです。容器に数百秒間閉じ込めて蓄積することができるという特性をもち、これを活かして中性子の基礎物理量を高精度で測定することが可能です。中性子は電気的に中性ですが、内部にわずかな電荷の偏り、すなわち電気双極子モーメント（EDM: Electric Dipole Moment）が存在する可能性があります、有限の中性子EDMの存在は、物理法則の基本的対称性のひとつである時間反転対称性の破れを示唆します。時間反転対称性の破れは、宇宙の物質・反物質の存在の非対称性の起源と深く関係する電荷・空間対称性（CP対称性）の破れに結びつくものであり、素粒子物理学において極めて重要な意味を持ちます。TUCAN実験では、大量のUCNを生成し、中性子EDMをこれまでにない高精度で測定することで、時間反転対称性の破れを探索することを目指しています。
TUCAN実験では、サイクロトロン加速器から供給される陽子ビームを金属標的に照射し、核破砕反応によって生成する高速中性子を段階的に冷却し、その最終段階では、超流動ヘリウム中でUCNに変換します［1］。
2017年に、日本で開発されたプロトタイプUCN源がTRIUMFに移送され、TRIUMFで初めてのUCN生成に成功し、その経験に基づいて世界最高水準のUCN強度をもつ新UCN源の開発が進められてきました［2,3］。
2025年6月に行われた今回の実験で、高速中性子を効率よく減速させる液体重水素減速材が未設置の状態ながら、シミュレーションによる予測とよく一致するUCN生成レートを確認することができました。今後は同冷却材の導入を経て、いよいよ本格的な中性子EDM実験へと研究が進む予定です。
図2：実験中に取得されたUCN検出器の応答。青線はUCN検出器の計数率を示す。陽子ビーム照射中は、周囲で生成されるガンマ線や高速中性子にも検出器が応答するため、計数率が高くなる。ビーム照射停止後に、UCN生成領域から取り出すバルブを開けることで、UCNを検出できる。
実験の詳細はTRIUMFの公式ニュースリリースをご覧ください：
https://triumf.ca/2025/06/30/new-ultracold-neutron-source-produces-record-for-canada/
本研究には、京都大学複合原子力科学研究所から、樋口嵩助教と藤谷龍澄大学院生（工学研究科 原子核工学専攻）が参加しています。また、UCN生成実験に先立つ冷中性子減速材評価手法の開発は、当研究所の日野正裕教授、髙田卓志助教の協力のもとAntoine Beaudouin留学生（Grenoble INP – Phelma）も加わり、京都大学研究用原子炉(KUR) CN-3ビームラインで実施されました。福井県敦賀市「もんじゅ
サイトに建設が予定されている新試験研究炉においても同様に超流動ヘリウムを変換材としたUCN源が提案されており、本国際共同研究を通して培った知見は、新試験研究炉へも応用が期待されます。
本研究は、下記事業・制度の助成を受けて行いました。
Canada Foundation for Innovation; the Canada Research Chairs program; the Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada (NSERC) (SAPPJ-2016-00024,
SAPPJ-2019-00031, SAPPJ-2023-00029); British Columbia Knowledge
Development Fund; Research Manitoba; 日本学術振興会科学研究費助成事業(JSPS KAKENHI) (18H05230, 19K23442, 20KK0069, 20K14487, 22H01236); 日本学術振興会二国間交流事業(JSPS Bilateral Program)( JSPSBP120239940); 科学技術振興機構 創発的研究支援事業(JST FOREST )(JPMJFR2237);大阪大学国際共同研究促進プログラム; RCNP COREnet; 山田科学振興財団; 村田学術振興・教育財団; 京都大学大学院教育支援機構（DoGS）海外渡航助成金; 京都大学複合原子力科学研究所共同利用研究(課題番号R6055,R6056); The Universidad Nacional Autonoma de Mexico – DGAPA program PASPA and grant PAPIIT (AG102023).
参考文献
［1］ Y. Masuda et al. Phys. Rev. Lett. 108, 134801 (2012).
［2］ S. Ahmed et al., Phys. Rev. C 99, 025503 (2019).
［3］ W. Schreyer et al., Nucl. Inst. Meth. A 959, 163525 (2020);
R. Mastumiya et al., JPS Conf. Proc. 37, 020701 (2022)
