日本高能加速器研究機構（KEK）正在嘗試開發一種新型顯微鏡。顯微鏡一般使用可見光或電子來觀察微小物體，但KEK正在開發的這種顯微鏡使用基本粒子中的一種「μ子」（渺子）來進行觀察。這種新型顯微鏡可以看到物質内部的電子和磁場狀態，可以觀察過去無法觀測的活體生物，開發出過去無法開發的材料。
位於東海村的μ子顯微鏡實驗裝置（供圖：J-PARC）
μ子是一種與電子具有相似性質的基本粒子，但質量約爲電子的200倍。具有穿透物質的性質，手掌大小的面積上每秒鐘就有一個μ子穿過。射入地面的μ子是來自太空的宇宙射線與大氣中的原子核碰撞時產生的。
KEK的東海設施（茨城縣東海村）内擁有人工產生μ子的顯微鏡裝置，該裝置的目的是把產生的μ子像細光束一樣照射到要觀察的物體上，從而觀察其内部。
KEK的μ子發生裝置能夠將加速到接近光速的質子與碳原子相撞，並以每秒1億個的單位將其轉化爲μ子束。所產生的μ子束具有不同的能量和擴散範圍，首先透過降低入射μ子的能量，抑制擴散形成小團塊。然後使用小型加速器爲團塊注入能量並加速。用透鏡調整光束並將其照射到要觀察的物體上，便可以觀察到微小的物體。
在解析度性能上電子顯微鏡更佳
目前正在開發的μ子顯微鏡可以檢查物質内電子和磁力的狀況。由於μ子具有電的特性，因此當接近具有電位或磁力的物體時，方向會發生變化。透過擷取變化的半徑，可以將電子和磁力的狀態視覺化。
電子顯微鏡也可觀察微小物體。它其將電子束射向目標物體，解析度可達到原子級別。但另一方面，電子顯微鏡只能穿透厚度數百奈米（一奈米爲十億分之一米）的物體，並且需要將物體放置在真空中。
μ子顯微鏡的解析度最高能達到個位數奈米級別。但由於具有高穿透性，可對小至10微米（一微米爲百萬分之一米）大至釐米級別的物活體內部以非破壞性方式進行觀察。
在材料領域，μ子顯微鏡被期待用於半導體和電晶體等的開發。例如，透過非破壞性檢查高壓下使用的電晶體内部狀態，可以找出力的施加位置，從而開發出不易損壞的裝置。磁鐵和電池也可以用類似的非破壞性方式進行觀察。此類產品對於電子產品日益普及的去碳社會不可或缺。
此外，與電子顯微鏡不同，由於μ子顯微鏡無需將物體置於真空中即可觀察，因此可以觀察細胞等活體物質。神經細胞透過電位變化傳遞訊號，細胞膜透過電位梯度參與物質交換，這些都可以用μ子顯微鏡來觀察，有可能對生命現象進行全新的闡述。
KEK的特別副教授永谷幸則表示：「由於μ子具有與電子相似的特性，因此可以將電子顯微鏡的技術應用於μ子顯微鏡」。本次用於測量電位的方法就應用了穿透電子顯微術中使用的技術。還可以應用掃描電子顯微鏡來開發研究物活體內部原子類型的μ子顯微鏡。
2021年，KEK利用加速器產生的μ子成功觀察了物體。未來的目標是可以觀察更小的物體，到2020年代後半期，將解析度提高至數十奈米。到2030年代，達到大學和公司可以實際使用的階段。
透視金字塔和火山内部
μ子穿透物體的性質常被用於透視建築物的研究。大氣中落下的μ子在穿透物質的時候，一部分μ子會撞擊到原子核而消失。透過精確測量穿過建築物的μ子數量，便可以確定内部空間的存在與否以及密度的差異。
利用這一特性，對金字塔和火山内部空間的研究非常火熱。2016年，名古屋大學等利用μ子發現胡夫金字塔内部存在空間。此外，還利用μ子分析過東京電力公司福島第一核能電廠2號機組的反應爐内部情況並檢查了熔融燃料。
日本在利用μ子的研發方面一直處於世界領先地位。目前，世界上只有5處擁有能夠人工產生μ子的裝置。日本就有2處，分別爲大阪大學和KEK，其中KEK是世界上唯一一處能夠產生各種能量級別μ子的設施。
產生μ子需要大型加速器，而且將產生的μ子變成光束進行觀察的部分目前約爲5米見方大小。
μ子發生裝置的小型化對未來μ子顯微鏡的普及也至關重要。當前的首要任務是證明μ子顯微鏡的有用性，爲加速開發增加動力。
日文：福井健人、《日經產業新聞》、2024/2/2
中文：JST客觀日本編輯部
