由大阪大學雷射科學研究所的餘語覺文教授和量子科學技術研究開發機構的早川嶽人高級研究員、日本核能研究開發機構的小泉光生經理、福井工業大學工學部的西村博明教授等人組成的研究團隊研究發現，使用雷射產生中介子時的雷射聚光強度和產生的中子數量之間，存在中子數與雷射聚光強度的四次方成正比而急速增加的規律。根據上述規律，可確定10的11次方的中介子可以由一次雷射激勵產生。使用中介子共振吸收進行非破壞性測量，可以測得元素的種類和數量。由於可實施瞬間照射，因此檢查物件範圍或可擴大至動態的物質和產品等。預計此項成果將有助於實施在無需加速器和放射性同位素的研究室中進行中介子照射試驗。該成果已在美國物理可用能學會發行的「Physical Review X」上於1月31日公開。
圖1.實驗方法概念圖。在1.8米處，使用偵檢器測量雷射產生的中介子。根據其間設置的樣品的元素種類，發生中子吸收。可根據其吸收（谷）的能量來鑑定種類，可根據吸收谷的深度來評估數量。（供圖：大阪大學雷射科學研究所餘語覺文教學）
中介子是構成原子核的不帶電荷的粒子，與具有電荷的質子等相比，更容易與射入的物質直接反應。中介子由中子源生成並射出，可利用穿透測量和各元素反應不同的性質，用於元素分析等用途。雖然核反應堆、加速器、放射性同位素等均可作爲中子源，但規模較大，且放射性同位素存在成本昂貴、且難以控制等問題。
其中，有一種生成中介子的方法，是透過將高強度的雷射聚光至物質上來加速質子，並照射到特定的物質上，透過核反應生成。該方法與傳統方法相比，能夠在小規模條件下實施，因此有望得到實用化。已知，可透過提高雷射的聚光強度生成更高溫的電漿，並增加中介子的數量。另一方面，儘管已經有了在各種附加條件下的研究成果，但如何確定雷射聚光強度以及產生的中子數量尚未明確。
研究團隊在此次研究中，詳細調查了迄今爲止的研究成果中涉及的各種條件，並使用大阪大學雷射科學研究所的大功率雷射「LFEX」，對各種條件再次進行了實驗。
研究團隊發現了儘管實驗情境差異極小，但生成的中子數量卻能相差一個數規模的條件。對該條件改變各種參數進行實驗後發現了「雷射聚光強度四次方定律」的存在——產生的中子數與聚光強度的四次方成正比，併成功建立了解釋此種現象的理論模式。
此外，根據該定律，團隊使用高輝度中介子脈衝（10的11次方中介子），結合飛行時間測量法，利用中介子共振吸收，實際進行了物質的非破壞性分析實驗。具體來說就是，利用激光中子源的特點，構建了在1.8米距離處的偵檢器測量雷射生成中介子的實驗系統。將薄板狀的銦、鉭、銀進行重疊並使用中介子穿透，以此測量能量。而在傳統的中子源中，這條分析線需要數十米。
結果表明，能夠捕捉到可表示與3種金屬分別對應的能量的中子吸收峰值。相鄰金屬的峰值數量eV的差可分離，且激光中子源可識別未知材料的元素及測量其數量。
到目前爲止，例如使用加速器時，需要用約20米的射線進行1次測量需要4～5小時，但激光中子源不僅可以大幅等比縮小尺寸，還可以在100奈秒内完成1次測量。因此，即便在動態裝置等中也可以擴大測定物件範圍，且可透過檢測原子核振動來測定其瞬間溫度。由於中介子不具有電荷，因此對運行中的設備等的影響很小，也有望用於產品開發。
餘語教授表示：「現在使用的雷射一天只能振盪數次，我們正致力於將雷射振盪的結構改爲半導體和透明陶瓷，以構建大幅提高頻率的實驗系統。今年之内將進行第一次雷射振盪，預計於2～3年内完成小型裝置的開發。若成功實施，研究室以及目前未擁有核反應堆的發展中國家也有望引進該裝置。」
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
雜誌：Physical Review X
論文：Laser-driven Neutron Generation Realizing Single-Shot Resonance Spectroscopy
URL：https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.13.011011#fulltext
