地球の大気に降り注ぐ宇宙線。その一部から生まれる「ミューオン」は、驚くべき力を有している。なんと、クフ王のピラミッドのような大型構造物や火山、断層、さらには輸送コンテナの内部を透視できるという。

　宇宙線研究の第一人者で、『宇宙線のひみつ 「宇宙最強のエネルギー」の謎を追って』（講談社）を上梓した藤井俊博氏（大阪公立大学大学院理学研究科准教授・南部陽一郎物理学研究所兼任研究員）に、天然のミューオンを活用した最新の観測技術について話を聞いた。（聞き手：関瑶子、ライター＆ビデオクリエイター）

──本書のタイトルは『宇宙線のひみつ』です。改めて、宇宙線とはどのようなものか教えてください。

藤井俊博氏（以下、藤井）：宇宙線とは、宇宙空間を飛び交っている高エネルギーの粒子です。多くは陽子で、私たち人間を構成するような素粒子でできています。「宇宙放射線」と呼ばれることもあります。

　中でも私たちが注目しているのは、10の20乗電子ボルト（100エクサ電子ボルト）を超えるエネルギーをもつ「極高エネルギー宇宙線」です。

──書籍では、「ミューオン」という素粒子が登場しましたが、宇宙線とはどのような関係があるのでしょうか。

藤井：ミューオンは、極高エネルギー宇宙線が地球の大気と衝突することで生まれる素粒子です。極高エネルギー宇宙線が大気中の分子とぶつかると、パイ中間子という粒子が生成され、その後、崩壊してミューオンになります。

　このパイ中間子は、湯川秀樹博士が予言し、後にノーベル賞を受賞したことでも知られる粒子です。

　パイ中間子の寿命は約2.6×10のマイナス8乗秒と非常に短く、すぐに崩壊してミューオンとミューニュートリノを生成します。

──ミューオンを使った「ミュオグラフィ」とはどのような技術ですか？

藤井：ミュオグラフィは、巨大構造物や地下の内部を透視する技術です。

　ミューオンは、今この瞬間も地球全体に一様に降り注いでいます。物質の密度が高ければ、ミューオンは多く吸収されます。逆に、空洞があればミューオンが通過しやすくなります。

　このようなミューオンの特性を利用すれば、対象物の内部にある構造や空洞の存在を非破壊で推定できるのです。

──レントゲンとはどう違うのでしょうか。

藤井：使用する粒子が異なります。

　レントゲンはX線を使いますが、ミュオグラフィはミューオンを使います。ミューオンはX線よりも物質を透過する力が強く、1キロメートルの岩盤も貫通可能です。しかも、常に自然発生するため、人工的に照射する必要がなく、地下構造や大型構造物の観測に適しています。

──ミュオグラフィの具体的な応用例を教えてください。

ピラミッド内部の巨大空間を発見したミュオグラフィ

藤井：ミュオグラフィによって、エジプトのギザにあるクフ王の大ピラミッドの内部に未発見の巨大空間と回廊を発見したことは、かなり話題になりました。

　この調査では、特殊な放射線検出器である原子核乾板を、女王の間に設置しました。原子核乾板は、ミューオンの通過経路や入射角度などを観測できます。原子核乾板に蓄積されたミューオンの情報を分析した結果、既知の大回廊の上に位置する未知の巨大空間と未知の回廊の存在が示唆されました。

　未知の回廊は、ピラミッド外壁から比較的近い位置にあったため、ファイバースコープを挿入して内部を観察したところ、ミュオグラフィで示唆された通りの規模の回廊が確認されました。

　2025年現在、日本でも古墳の内部調査にミュオグラフィが活用できないか、検討が進められています。

──考古学以外で、ミュオグラフィの応用が期待される場面はありますか。

藤井：地球科学の分野では、火山の内部構造を調べることができるのではないかと期待されています。実際に、薩摩硫黄島火山の内部をミュオグラフィによって撮像し、ガスを大量に含んだマグマの存在を確認した事例があります。

　ほかに、河川堤防の劣化状態の調査、地下の断層の観察による地震予測、原子炉内部の摩耗状態の調査などへの応用も期待されています。

──ミュオグラフィの課題について、教えてください。

藤井：ミューオンの地上到達数が限られているため、十分な画像を得るのに時間がかかります。これが現時点での最大の課題とされています。

　そのため現在は、人工的に加速器を使って「ミューオンビーム」を生成し、より短時間で高精度な観測を可能にする研究が進められています。

　最近では、高エネルギー加速器研究機構（KEK）が、輸送コンテナなどの内部検査への応用を目指して、トラックに積載可能な小型ミューオン検査装置の開発に着手するというニュースもありました。2035年の実用化を目指しています。

　とはいえ、天然のミューオンの長所もあります。ピラミッドのような巨大構造物の内部の観測には、小型ミューオン検査装置では不十分です。

　今後は人工的に生成されたミューオンビームと天然のミューオン、それぞれの特徴に応じた使い分けが進んでいくでしょう。

アートにも活用されるミュオグラフィ

──X線やミューオン以外の粒子を使った「透視技術」はありますか。

藤井：今注目されているのは、ニュートリノです。

　直接的なサンプルの採取が困難なため、地球深部がどのような物質から構成されているのかはいまだによくわかっていません。

　ニュートリノには、電子型、ミュー型、タウ型の3種類がありますが、飛行中にこれらの種類がまれに変化する「ニュートリノ振動」という現象が知られています。

　この性質を使って、ニュートリノが地球を通過する際にどのように変化するかを観測することで、地球内部の物質構成を探ろうという構想が進行中です。

──ミュオグラフィは、アートにも関係があるそうですね。

藤井：ミューオンは目に見えませんが、確かに存在するという点が、芸術家の創作意欲を刺激したようです。ミュオグラフィアートです。

　たとえば、私たちが観測した「アマテラス粒子（※）」に着想を得て、芸術家の中島裕司氏が作品を制作してくださいました。

※2021年に観測された2.44×10の20乗電子ボルトのエネルギーを持つ極高エネルギー宇宙線。第一発見者は藤井氏。10数年に一度検出されるかされないかという「超激レア粒子」。

　最近はSTEAM教育（科学・技術・工学・芸術・数学）という概念も注目されており、芸術と科学の融合が進んでいくことを願っています。

宇宙で重要な役割を担っている宇宙線

──研究を通じて実現したい夢や目標について教えてください。

藤井：ここまで、宇宙線の身近な応用例について説明してきましたが、宇宙線は宇宙そのものにとって重要な役割を担っていることが徐々に明らかになってきています。それでも、まだわかっていないことは山積しています。

　極高エネルギー宇宙線の発生源、加速機構、そして生命誕生や地球の形成との関連など、知りたいことは尽きません。一つずつ、着実に紐解いていきたいと思っています。

　宇宙線は、今も皆さんの頭上から降り注いでいます。宇宙線がそれほど身近な存在であるということを、一人でも多くの人に知っていただき、関心を持ってもらえるとうれしいです。

　次世代の研究者の育成にも力を入れ、将来的にはノーベル賞も視野に入れて、仲間たちとともに研究を進めていければ最高です。

藤井 俊博（ふじい・としひろ）

大阪公立大学大学院理学研究科准教授・南部陽一郎物理学研究所兼任研究員

1985年、奈良県生まれ。大阪市立大学大学院理学研究科後期博士課程修了。博士（理学）。シカゴ大学カブリ宇宙物理学研究所、東京大学宇宙線研究所、京都大学白眉センターを経て、2022年より現職。専門は極高エネルギー宇宙線の観測。最高感度を誇る「テレスコープアレイ実験」（北半球）と「ピエール・オージェ観測所」（南半球）で共同研究を手掛け、次世代実験計画「GCOS」では、中心人物として新型宇宙線検出器の開発を主導している。

関 瑶子（せき・ようこ）

早稲田大学大学院創造理工学研究科修士課程修了。素材メーカーの研究開発部門・営業企画部門、市場調査会社、外資系コンサルティング会社を経て独立。YouTubeチャンネル「著者が語る」の運営に参画中。

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