日本高能加速器研究机构（KEK）正在尝试开发一种新型显微镜。显微镜一般使用可见光或电子来观察微小物体，但KEK正在开发的这种显微镜使用基本粒子中的一种“μ子”（渺子）来进行观察。这种新型显微镜可以看到物质内部的电子和磁场状态，可以观察过去无法观测的活体生物，开发出过去无法开发的材料。
位于东海村的μ子显微镜实验装置（供图：J-PARC）
μ子是一种与电子具有相似性质的基本粒子，但质量约为电子的200倍。具有穿透物质的性质，手掌大小的面积上每秒钟就有一个μ子穿过。射入地面的μ子是来自太空的宇宙射线与大气中的原子核碰撞时产生的。
KEK的东海设施（茨城县东海村）内拥有人工产生μ子的显微镜装置，该装置的目的是把产生的μ子像细光束一样照射到要观察的物体上，从而观察其内部。
KEK的μ子发生装置能够将加速到接近光速的质子与碳原子相撞，并以每秒1亿个的单位将其转化为μ子束。所产生的μ子束具有不同的能量和扩散范围，首先通过降低入射μ子的能量，抑制扩散形成小团块。然后使用小型加速器为团块注入能量并加速。用透镜调整光束并将其照射到要观察的物体上，便可以观察到微小的物体。
在分辨率性能上电子显微镜更佳
目前正在开发的μ子显微镜可以检查物质内电子和磁力的状况。由于μ子具有电的特性，因此当接近具有电位或磁力的物体时，方向会发生变化。通过读取变化的幅度，可以将电子和磁力的状态可视化。
电子显微镜也可观察微小物体。它其将电子束射向目标物体，分辨率可达到原子级别。但另一方面，电子显微镜只能穿透厚度数百纳米（一纳米为十亿分之一米）的物体，并且需要将物体放置在真空中。
μ子显微镜的分辨率最高能达到个位数纳米级别。但由于具有高穿透性，可对小至10微米（一微米为百万分之一米）大至厘米级别的物体内部以非破坏性方式进行观察。
在材料领域，μ子显微镜被期待用于半导体和晶体管等的开发。例如，通过非破坏性检查高压下使用的晶体管内部状态，可以找出力的施加位置，从而开发出不易损坏的装置。磁铁和电池也可以用类似的非破坏性方式进行观察。此类产品对于电子产品日益普及的脱碳社会不可或缺。
此外，与电子显微镜不同，由于μ子显微镜无需将物体置于真空中即可观察，因此可以观察细胞等活体物质。神经细胞通过电位变化传递信号，细胞膜通过电位梯度参与物质交换，这些都可以用μ子显微镜来观察，有可能对生命现象进行全新的阐述。
KEK的特别副教授永谷幸则表示：“由于μ子具有与电子相似的特性，因此可以将电子显微镜的技术应用于μ子显微镜”。本次用于测量电位的方法就应用了透射电子显微镜中使用的技术。还可以应用扫描电子显微镜来开发研究物体内部原子类型的μ子显微镜。
2021年，KEK利用加速器产生的μ子成功观察了物体。未来的目标是可以观察更小的物体，到2020年代后半期，将分辨率提高至数十纳米。到2030年代，达到大学和公司可以实际使用的阶段。
透视金字塔和火山内部
μ子穿透物体的性质常被用于透视建筑物的研究。大气中落下的μ子在穿透物质的时候，一部分μ子会撞击到原子核而消失。通过精确测量穿过建筑物的μ子数量，便可以确定内部空间的存在与否以及密度的差异。
利用这一特性，对金字塔和火山内部空间的研究非常火热。2016年，名古屋大学等利用μ子发现胡夫金字塔内部存在空间。此外，还利用μ子分析过东京电力公司福岛第一核电站2号机组的反应堆内部情况并检查了熔融燃料。
日本在利用μ子的研发方面一直处于世界领先地位。目前，世界上只有5处拥有能够人工产生μ子的装置。日本就有2处，分别为大阪大学和KEK，其中KEK是世界上唯一一处能够产生各种能量级别μ子的设施。
产生μ子需要大型加速器，而且将产生的μ子变成光束进行观察的部分目前约为5米见方大小。
μ子发生装置的小型化对未来μ子显微镜的普及也至关重要。当前的首要任务是证明μ子显微镜的有用性，为加速开发增加动力。
日文：福井健人、《日经产业新闻》、2024/2/2
中文：JST客观日本编辑部
