ミューオンが初めて胸の中を見る

ミューオンは電子の重い親戚で、質量は電子の約200倍ある。その重さのおかげで、高速のミューオンはエネルギーをほとんど失わずに膨大な厚さの物質を通り抜けられる。宇宙線によって地表には絶えずミューオンが降り注いでおり、物理学者たちはそれを画像化の道具に変えた。ミュオグラフィである。火山、氷河、遺跡を調べ、ギザの大ピラミッドの内部に未知の大きな空洞を見つけたことはよく知られている。

もう一つの手法、ミューオン散乱トモグラフィは、物体を通り抜ける際に各ミューオンがどれだけ曲げられるかを測る。密度が高く重い物質はミューオンを大きく曲げる。そのため、この手法は貨物検査や、遮蔽された核物質の探索に使われている。

考えうる最も弱い信号

人体はその逆のケースだ。軟部組織は軽い元素でできており、密度も互いに似通っている。軟部組織による進路の曲がりは、ウランや鋼鉄によるものより何桁も小さい。ミューオントモグラフィで軟部組織の中に何かが見えるのかどうかは、未解決の問題だった。

魅力は本物だ。数十億電子ボルトのミューオンは、ほとんどエネルギーを落とさずに体を通り抜ける。著者らは、ミューオンがX線スキャナーに取って代わるとは考えていない。低線量や繰り返しの撮影が重要な場面で補完的に使える可能性があると見ている。難点は線源だ。自然の宇宙線の流量はあまりにも弱く、強力なミューオンビームは大型加速器にしか存在しない。

CERNのビームの中のプラスチックの胸

CERNのディパンウィタ・バナジーらは、チューリッヒ工科大学（ETH Zurich）とバレンシアの素粒子物理学研究所の共同研究者とともに、ジュネーブ大学病院からアルダーソン胸部ファントムを借りた。臨床の線量測定に使われる模型で、組織に似たプラスチックの体に、肺、心臓、肝臓、そして骨と同等の素材でできた完全な骨格を備えている。

2026年4月、チームはこれをCERNの陽子シンクロトロンで2 GeV/cのミューオンビームの中に置いた。前に2台、後ろに2台の検出器が、すべてのミューオンの入る経路と出る経路を記録し、その曲がりを求めた。ファントムを手で回して七つの角度から測り、29万3035個のミューオンを採用した。

CERNのT9ビームラインで、上流側（T1、T2）と下流側（T3、T4）の飛跡検出器の間に置かれたアルダーソン胸部ファントム。— 図1、Banerjee, Banto Oberhauser, Crivelli & Molina Bueno (2026), arXiv:2610.16647.

そのままの再構成画像はノイズが非常に多い。そこでチームは、ノイズを取り除く3次元ニューラルネットワークを加えた。これは臓器の大きさをランダムに変えた50体のシミュレーション上のファントムだけで訓練されており、実データでは一切訓練していない。

真の値から1%以内

ビームは約6×4センチメートルと細かった。七つの角度すべてから見えたのは小さな領域だけで、心臓のまわりの約8センチメートルのブロック、**体の0.8%**である。精密な結果はすべてこの領域に当てはまる。

ファントムのどの部分に実際にビームが届いたか：濃い赤の中心部は七つの角度すべてから見えており、体の約0.8%にあたる。— 図2、Banerjee, Banto Oberhauser, Crivelli & Molina Bueno (2026), arXiv:2610.16647.

• この中心部で測定された散乱密度は1.304 × 10⁻⁴ rad²/mで、シミュレーションから予想される約1.297 × 10⁻⁴と比べて、再較正なしで1%より良い一致を示した。
• はぐれた飛跡をどれだけ厳しく除外するかを変えると、そのままの画像は15%変化したが、ネットワークの出力の変化は1%未満だった。
• 中心部の外では、肋骨、胸骨、脊椎がおおむね本来あるべき場所に、骨に近い密度で現れたが、筋状に引き伸ばされていた。

この手法が見逃したものも同じくらい示唆に富む。ファントムの心臓の壁には、9〜14ミリリットルの空気で満たされた小さな欠損がある。これらは再現されなかった。その信号は約10%で、統計的なノイズの下限にとどまっている。著者らは、ミューオンが10倍あれば検出の限界ぎりぎりに届くと見積もっている。

2マイクログレイ

中心部の各ボクセルを通過したミューオンは約58個だった。著者らは局所的な線量を約2マイクログレイ、ミューオンを10倍にすれば約20マイクログレイと見積もっている。目安として、胸部X線は約0.1ミリシーベルト、胸部CTは約6ミリシーベルトという値を挙げている。ただし、これらの量は直接比較できるものではなく、臨床的な評価には完全な線量計算が必要だと注意を促している。

加速器から診療の場へ？

著者らによれば、これは軟部組織に対するミューオン散乱トモグラフィの初の実験的実証である。臨床用のシステムには、はるかに多くの角度と、1ミリメートル未満の精度の位置合わせが必要になる。自然な対象となるのは、空気で満たされた肺の中の充実性結節や石灰化した組織のように、密度の差がはっきりした病変だろう。すべてはいまやミューオン源にかかっている。チームは、部屋ほどの大きさの施設からビームを得られる見込みのある、レーザー駆動の小型加速器に期待を寄せている。