前に述べたように、

地球大気に入射したエネルギーの高い宇宙線は、

大気との相互作用によって空気シャワーを生成します。

この空気シャワーの中で生まれた荷電パイ中間子は、

ミューオンとミューニュートリノに崩壊します。

上空でつくられたミューオンはエネルギーが高く、

相対論効果によって時間がのびるために地上まで到達します。

ミュオグラフィのしくみ

ミューオンは透過力が強く、

物質と相互作用することから比較的検出

しやすいという特徴をもちます。

ミューオンは荷電粒子であるため、

物質を通過するときにエネルギーを渡すという

相互作用を起こしながら進みます。

この相互作用を「電離損失」と呼びます。

ミューオンからエネルギーを渡された物質は

エネルギーの高い状態になり、

これがもとの状態に戻るときに光を発します。

この光を「シンチレーション光」と呼び、

シンチレーション光を発する物質のことを

「シンチレーター」と呼びます。

ミュオグラフィの原理

ミューオンを見つけ出すには、

まずシンチレーション光を高感度な光センサー

（光電子増倍管など）で検出します。

次に、細長いシンチレーターと光電子増倍管を準備し、

Ｘ軸方向とＹ軸方向のそれぞれで通過した

ミューオンの位置を測定すれば、

宇宙線が通過した位置がわかります。

そして、このＸ軸とＹ軸の測定を離れた場所に

もう一ヵ所準備して、

場所を確定させれば、

ミューオンの到来方向を決定できます。

他に、ミューオンが通過したときの飛跡を計測できる

「原子核乾板」と呼ばれる検出器があります。

原子核乾板とは写真のフィルムのようなもので、

日本では1910年に木下季吉によって、

放射線が原始核乾板に写ることが発見されました。

原子核乾板は、ミューオンが通過した飛跡を

精密に記録できるメリットがありますが、

記録が上書きされ続けるため、

定期的に回収して現像する必要があります。

ちなみに、

湯川秀樹が予言したパイ中間子は、

パウエルらによる原子核乾板を使った

宇宙線測定で発見されました。

ミュオグラフィで「火山のマグマ」を透視

ご存じのとおり、

「フォトグラフィ」は、カメラによって光をとらえて

静止画を生成することを指します。

それに対して、「ミュオグラフィ」は、

光の代わりにミューオンをとらえることで

静止画を生成することを指す言葉です。

地球に到来する宇宙線と大気との

相互作用によって生成されるミューオンは、

電荷をもつためにあらゆる物質と

相互作用しながら進みます。

この利点を活かして、

巨大な物質を透視することが、

「ミュオグラフィ」の技術的な本質になります。

ミューオンは常に降り注いでいますが、

物質が存在すればその分だけ遮蔽されて

到来頻度は減ります。

たとえば、

地下深くに潜ると到来するミューオンの量は減ります。

ミューオンが途中の物質と相互作用をしながら進み、

エネルギーをすべて失うとそこで止まるためです。

もし、ある方向に非常に密度の高い物質が存在すれば、

その方向から到来するミューオンが「減少」します。

逆に、ある方向に空洞が存在すれば、

その方向からのミューオンは「減らない」というわけです。

薩摩硫黄島火山の透視