2022年9月23日
東京大学国際高等研究所カブリ数物連携宇宙研究機構 (Kavli IPMU)
大阪大学
京都大学
国際基督教大学
宇宙科学研究所（JAXA）
東北大学
素粒子ミュオンにより非破壊で小惑星リュウグウの石の元素分析に成功
ー太陽系を代表する新たな標準試料となる可能性ー
1.発表概要
東京大学カブリ数物連携宇宙研究機構 （Kavli IPMU）の高橋忠幸 (たかはし ただゆき) 教授と長澤俊作（ながさわ しゅんさく）大学院生は、大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構（KEK）物質構造科学研究所、大阪大学、日本原子力研究開発機構、京都大学、国際基督教大学、宇宙科学研究所、東北大学らのミュオン分析チーム※1と共同で、素粒子であるミュオンを用いた元素分析法を、小惑星リュウグウの石に適用し、非破壊でその元素組成を明らかにすることに成功しました。そしてリュウグウの石の組成は、これまで最も始源的な物質であると言われていた隕石と近い組成を示す一方で、これらの隕石と比べて酸素の含有量が明らかに少ないことが分かりました。ミュオンを用いた元素分析法は、研究グループが大強度陽子加速器施設（J-PARC）※２において世界に先駆けて開発してきた新しい分析手法で、分析することが難しい生命の原料物質である炭素や窒素などの軽い元素を非破壊で定量することができます。
Kavli IPMUの高橋忠幸教授、長澤俊作大学院生は、長期にわたるJ-PARCでの実験に参加し、X線天文学や素粒子物理学実験における統計解析の手法を用いてゲルマニウム(Ge)半導体検出器のデータ解析を行い、スペクトルを解析し、各元素からのミュオン特性X線フラックスの導出やバックグランドの評価を行いました。
本研究成果を含む「はやぶさ2」初期分析チーム※3の「石の物質分析チーム」（代表 中村智樹 東北大教授）による全体の研究成果は、9 月22 日（木）（日本時間9 月23 日（金）午前3 時）にアメリカ科学振興協会（AAAS）サイエンス（Science）誌に掲載されました。
9月23日（金）に公開される宇宙航空研究開発機構（JAXA）の公開プレスリリースはこちらからご覧下さい。
https://www.jaxa.jp/press/2022/09/20220923-1_j.html
ミュオンを用いた非破壊元素分析実験は 高橋忠幸教授が領域代表を務める文部科学省 科学研究費助成事業新学術領域研究 (2018–2022)「宇宙観測検出器と量子ビームの出会い。新たな応用への架け橋。」（代表：Kavli IPMU高橋忠幸教授） として行われています。（課題番号18H05457, 18H05460, 18H05463, 18H05464）また、実験は、J-PARC 物質生命科学実験施設MLFにおいてKEK物構研ミュオン共同利用課題2019MS01として実施されました。
一連の実験には本論文の著者の他、Kavli IPMUの武田伸一郎特任助教、桂川美穂特任研究員、南喬博大学院生も実験協力者として参加しています。
2.発表概要
【背景】
2014年に打ち上げられた小惑星探査機「はやぶさ2」は、炭素が多いC型小惑星のひとつ、リュウグウに向けて出発しました。2018年にはリュウグウの近傍に到達し、様々なリモート観測を行ったのち、小惑星リュウグウ上の２か所から試料（石）の採取を行いました。そして2020年12月、カプセルに封入されたリュウグウの石が地球で回収されたのです。この計画により、想定を大きく上回る5.4 gの貴重な試料がもたらされました。
2021年6月から、国内外の研究者が参加する初期分析のプロジェクト「はやぶさ2」初期分析チーム（研究代表：東京大学 橘省吾教授）が試料の分析を開始しました。リュウグウの石からもたらされると期待される情報は多岐にわたり、初期分析チームでは石の形状や元素分布、鉱物組成の分析など様々な研究が行われました。ミュオン分析チームは、リュウグウの石がどのような元素をどれだけ含んでいるのか、リュウグウの石の元素組成に興味を持って初期分析チームの「石の物質分析チーム」に参加しました。
太陽系の形成の初期に小惑星も形成されたとすると、それ以後宇宙空間を漂い続けていた小惑星は太陽系初期の平均的な元素組成の情報を保持していると考えられます。小惑星から飛来し地球上で得られる隕石を分析することで、太陽系の元素組成を調べる研究がこれまで行われてきました。しかし隕石は、大気圏に突入した瞬間から地球大気による汚染が始まります。そういう意味で、人類は小惑星の本当の化学組成を知らない可能性があります。
一般に太陽系の始原物質はサブミリメートルからマイクロメートルの大きさの空間スケールで不均質です。一度も地球大気に晒されていない試料の平均的な化学組成を分析することができれば、不均一性の問題を解決することができ小惑星全体、さらには太陽系全体の元素組成を明らかにできる可能性があります。しかしこのような分析を、試料を損なわずに非破壊で行うことは困難でした。
【研究内容と成果】
研究グループは、世界最大強度のミュオンビームを利用できるJ-PARC MLFにおいて、ミュオンを用いた元素分析法をリュウグウの石（図1（右））に適用しました。この方法は、加速器で量子ビームとして得られるミュオンを試料に打ち込み、出てくるミュオン特性X線※４を分析することで非破壊で元素を特定することができ、貴重なリュウグウの石の分析において極めて有効な手段です。研究グループは、2008年にJ-PARCで初めてミュオンのビームが得られて以降(Miyake et al. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A, Volume 600, Pages 22-24, 2009)、この分析法を隕石などの地球外物質に適用するための基礎研究を進めてきました(Terada et al. Scientific Reports, 4, 5072, 2014)。
しかしリュウグウの石の分析には、これまでの研究にはなかった困難な課題がありました。まずミュオン元素分析は考古物など比較的大きな試料に利用されてきたため、1 g以下の試料に対する分析の実績がありませんでした。また、リュウグウの石は地球大気に一切触れていない、地球物質の汚染が全くない試料であり、地球に落ちてきた隕石とは全く異なる取り扱いが必要だったのです。リュウグウの石は非常に繊細な物質であり、わずかでも酸素や水蒸気に接してしまうと組成が変化してしまう可能性がありました。そこで分析をヘリウムガス雰囲気の中で行うことができる、専用の測定システムを開発しました（図２）。これにより、リュウグウの石を全く地球大気に接触させずに分析を行うことが可能になりました。また分析装置の内部を全て純銅で蔽う特殊な構造にすることで、試料のみに由来するシグナルを得ることのできる、少ない試料でも分析可能な極めてバックグラウンドの低い測定条件を達成しました。
2021年6月に、合計0.1グラムを超える10個のリュウグウの石がJ-PARCに持ち込まれ、ミュオンによる元素分析が行われました。これにより図３に示すミュオン特性X線のスペクトルが取得されました。特に生命の材料物質である炭素、窒素、酸素について、リュウグウの石を損ねることなく検出することができたのは画期的な成果です。ミュオンの分析に利用されたリュウグウの石の重量はわずか0.1 gあまりです。しかし初期分析における他の分析では、数mgもしくはµgオーダーの試料量で実験が行われており、このように大きなリュウグウの石を分析に回すことができたのは、ミュオン元素分析法が非破壊の方法だからです。多くのリュウグウの石を使うことができたため、ミュオンによる分析の結果は小惑星リュウグウの平均的な元素組成に最も近い値を示していると考えています。そして当然、非破壊であるゆえにミュオン分析を行ったリュウグウの石はその後の破壊的な方法を含む他の様々な分析に提供されることになりました。
Kavli IPMUの高橋忠幸教授、長澤俊作大学院生は、ゲルマニウム(Ge)半導体検出器で得られたミュオン特性X線スペクトルのデータ解析に寄与しました。スペクトルから得られた、リュウグウの石に由来するミュオン特性X線のピーク解析にX線天文学や素粒子物理学実験における統計解析の手法を用いて、それぞれのピークの強度を精度よく求めました。
これにより、リュウグウの石の元素組成を決定することができました。
ミュオン非破壊分析によるリュウグウの石の元素組成は、太陽系の固体物質の化学組成の基準となっているCIコンドライトという種類の隕石とおおむね似た組成をしていることが分かりました。これは、リュウグウの石が太陽系において極めて始源的な物質であることを明確に示しています。さらに重要な結果として、酸素のケイ素に対する存在量は、CIコンドライト隕石と比べ約25%少ないことが明らかになりました（図４）。これはこれまで太陽系の化学組成の基準とされていたCIコンドライトが、地球物質の汚染を受けていた可能性を示唆しており、CIコインドライトよりもリュウグウの石の方が、太陽系を代表する物質として相応しい可能性があります。
【本研究の意義、今後への期待】
この研究は、はやぶさ２初期分析チームによる研究の一環として実施されました。そのうちミュオンによる元素分析研究では、貴重な小惑星リュウグウの石を損ねることなく、生命の材料物質である炭素や窒素などの元素分析に成功しました。非破壊で試料内部の平均的な組成の分析ができるのは、ミュオンビームだけであり量子ビームミュオンの有用性を改めて示したと言えます。この方法は今後の小惑星、衛星探査で得られた試料の分析の手法の一つとして確立していくことが期待されます。
ミュオン元素研究により２つの重要な研究成果が得られました。一つ目はリュウグウの石がCIコンドライトに似ているという一部では予想されていた結果であり、もう一つは酸素が少ないという全く予想できていなかった結果の２つの知見です。特に後者は、今後太陽系の元素組成を書き換える極めて大きなインパクトを与える成果であると言えます。この成果はなぜ太陽系の地球という星で生命が誕生したのか、その理由に迫る重要なヒントになるでしょう。
3.発表雑誌
雑誌名： Science（オンライン版2022年9月23日（日本時間））
論文タイトル： Formation and evolution of carbonaceous asteroid Ryugu: Direct evidence from returned samples（日本語名：炭素質小惑星リュウグウの形成と進化：リターンサンプルから得た証拠）
著者：T. Nakamura, M. Matsumoto, K. Amano, Y. Enokido, M. E. Zolensky, T. Mikouchi, H. Genda, S. Tanaka, M. Y. Zolotov, K. Kurosawa, S. Wakita, R. Hyodo, H. Nagano, D. Nakashima, Y. Takahashi, Y. Fujioka, M. Kikuiri, E. Kagawa, M. Matsuoka, A. J. Brearley, A. Tsuchiyama, M. Uesugi, J. Matsuno, Y. Kimura, M. Sato, R. E. Milliken, E. Tatsumi, S. Sugita, T. Hiroi, K. Kitazato, D. Brownlee, D. J. Joswiak, M. Takahashi, K. Ninomiya, T. Takahashi, T. Osawa, K. Terada, F. E. Brenker, B. J. Tkalcec, L. Vincze, R. Brunetto, A. Aléon-Toppani, Q. H. S. Chan, M. Roskosz, J.-C. Viennet, P. Beck, E. E. Alp, T. Michikami, Y. Nagaashi, T. Tsuji, Y. Ino, J. Martinez, J. Han, A. Dolocan, R. J. Bodnar, M. Tanaka, H. Yoshida, K. Sugiyama, A. J. King, K. Fukushi, H. Suga, S. Yamashita, T. Kawai, K. Inoue, A. Nakato, T. Noguchi, F. Vilas, A. R. Hendrix, C. Jaramillo-Correa, D. L. Domingue, G. Dominguez, Z. Gainsforth, C. Engrand, J. Duprat, S. S. Russell, E. Bonato, C. Ma, T. Kawamoto, T. Wada, S. Watanabe, R. Endo, S. Enju, L. Riu, S. Rubino, P. Tack, S. Takeshita, Y. Takeichi, A. Takeuchi, A. Takigawa, D. Takir, T. Tanigaki, A. Taniguchi, K. Tsukamoto, T. Yagi, S. Yamada, K. Yamamoto, Y. Yamashita, M. Yasutake, K. Uesugi, I. Umegaki, I. Chiu, T. Ishizaki, S. Okumura, E. Palomba, C. Pilorget, S. M. Potin, A. Alasli, S. Anada, Y. Araki, N. Sakatani, C. Schultz, O. Sekizawa, S. D. Sitzman, K. Sugiura, M. Sun, E. Dartois, E. De Pauw, Z. Dionnet, Z. Djouadi, G. Falkenberg, R. Fujita, T. Fukuma, I. R. Gearba, K. Hagiya, M. Y. Hu, T. Kato, T. Kawamura, M. Kimura, M. K. Kubo, F. Langenhorst, C. Lantz, B. Lavina, M. Lindner, J. Zhao, B. Vekemans, D. Baklouti, B. Bazi, F. Borondics, S. Nagasawa, G. Nishiyama, K. Nitta, J. Mathurin, T. Matsumoto, I. Mitsukawa, H. Miura, A. Miyake, Y. Miyake, H. Yurimoto, R. Okazaki, H. Yabuta, H. Naraoka, K. Sakamoto, S. Tachibana, H. C. Connolly Jr., D. S. Lauretta, M. Yoshitake, M. Yoshikawa, K. Yoshikawa, K. Yoshihara, Y. Yokota, K. Yogata, H. Yano, Y. Yamamoto, D. Yamamoto, M. Yamada, T. Yamada, T. Yada, K. Wada, T. Usui, R. Tsukizaki, F. Terui, H. Takeuchi, Y. Takei, A. Iwamae, H. Soejima, K. Shirai, Y. Shimaki, H. Senshu, H. Sawada, T. Saiki, M. Ozaki, G. Ono T. Okada, N. Ogawa, K. Ogawa, R. Noguchi, H. Noda, M. Nishimura, N. Namiki, S. Nakazawa, T. Morota, A. Miyazaki, A. Miura, Y. Mimasu, K. Matsumoto, K. Kumagai, T. Kouyama, S. Kikuchi, K. Kawahara, S. Kameda, T. Iwata, Y. Ishihara, M. Ishiguro, H. Ikeda, S. Hosoda, R. Honda, C. Honda, Y. Hitomi, N. Hirata, N. Hirata, T. Hayashi, M. Hayakawa, K. Hatakeda, S. Furuya, R. Fukai, A. Fujii, Y. Cho, M. Arakawa, M. Abe, S. Watanabe, Y. Tsuda.
DOI：10.1126/science.abn8671 (2022年9月23日（日本時間）掲載)
論文のアブストラクト （Scienceのページ）
4.用語解説
※１ ミュオン分析チーム
リュウグウの石にミュオン元素分析を行うために、ミュオン分析の専門家と地球外物質分析の専門家で構成された下記のメンバーによる研究チーム。
（ミュオン分析チームメンバー表）
・高エネルギー加速器研究機構（KEK）／J-PARC 物質・生命科学ディビジョン
三宅康博名誉教授、梅垣いづみ助教、竹下聡史助教、下村浩一郎教授
・日本原子力研究開発機構（JAEA） 大澤崇人研究主幹
・大阪大学 二宮和彦准教授、寺田健太郎教授、邱奕寰特任研究員
・東京大学 高橋忠幸教授、長澤俊作大学院生、武田伸一郎助教、桂川美穂特任研究員、南喬博大学院生
・京都大学 谷口秋洋准教授
・国際基督教大学 久保謙哉教授
・宇宙航空研究開発機構（JAXA）渡辺伸准教授
・東京藝術大学 水本和美非常勤講師
・理化学研究所 東俊行主任研究員
・東北大学 中村智樹教授、和田大雅大学院生
※2 大強度陽子加速器施設（J-PARC）
高エネルギー加速器研究機構と日本原子力研究開発機構が茨城県東海村で共同運営している大型研究施設で、素粒子物理学・原子核物理学・物性物理学・化学・材料科学・生物学などの学術的な研究から産業分野への応用研究まで、広範囲の分野での世界最先端の研究が行われている。J-PARC内の物質・生命科学実験施設では、世界最高強度のミュオン及び中性子ビームを用いた研究が行われており、世界中から研究者が集まる。
※３ 「はやぶさ２」初期分析チーム
小惑星探査機「はやぶさ２」で回収された試料は、まず宇宙航空研究開発機構（JAXA）において試料情報の整理（phase-1キュレーション）が行われたのち、一部の試料が初期分析用に配分された（phase-2 キュレーション）。ミュオン分析チームは、初期分析を担当する「はやぶさ２」初期分析チームにおける６つのサブチームの一つ「石の物質分析チーム」に所属している。
※４ ミュオン特性X線
ミュオンが原子核の近くに来ると、ミュオンは電子と同じように原子軌道を作る。このようなミュオンを持つ原子はミュオン原子と呼ばれる。ミュオンも電子と同じように、軌道間遷移によりX線を放出し、そのX線をミュオン特性X線と呼ぶ。ミュオン特性X線は、ミュオンの質量が大きいため通常の蛍光X線分析に対して約200倍高いエネルギーを持ってる。このためミュオン特性X線は、透過力が非常に高い特徴があり、通常の特性X線では、エネルギーが低すぎるために吸収されてしまい、分析することができない軽い元素に対しても高い感度で検出することができる。
5. 問い合わせ先
東京大学 国際高等研究所 カブリ数物連携宇宙研究機構 広報
E-mail：press_at_ipmu.jp
TEL: 04-7136-5977
*_at_を@に変更してください
関連リンク
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