Ultra-Slow Muons

Ultra-slow muon beamline at J-PARC MUSE

Introduction / はじめに

Muons as microscopic probes

Spin-polarized muons are widely used as microscopic magnetic probes. After a positive muon stops in a material, its spin evolves in the local magnetic field. The spin motion is reconstructed from the angular distribution of positrons emitted when the muon decays. This is the basis of muon spin rotation, relaxation, and resonance (μSR).

Conventional μSR mainly uses surface muons with a kinetic energy of about 4 MeV. These beams are intense, nearly fully polarized, and highly useful for bulk materials. Their high energy, however, also means that the muons typically penetrate too deeply for nanometer-scale thin films, surfaces, and buried interfaces. [1], [2]

微視的プローブとしてのミュオン

スピン偏極したミュオンは、物質内部を調べる微視的な磁気プローブとして広く利用されています。 正ミュオンが試料中に停止すると、そのスピンは局所磁場のもとで時間発展します。この運動を、 ミュオン崩壊で放出される陽電子の角度分布から再構成するのがミュオンスピン回転・緩和・共鳴法（μSR）です。

通常のμSRでは主に運動エネルギー約4 MeVの表面ミュオンを用います。高強度で、ほぼ完全にスピン偏極した 非常に使いやすいビームですが、エネルギーが高いため試料内部へ深く進入し、ナノメートル厚の薄膜、 表面、埋もれた界面を選択的に測ることは困難です。

Why Low-Energy Muons? / なぜ低エネルギーミュオンが必要か

From bulk measurements to depth profiling

The stopping depth of a muon is controlled mainly by its incident energy. Reducing the energy from MeV to keV changes the characteristic stopping range from bulk dimensions to the nanometer scale. As a rough guide, a 1-keV positive muon stops at a depth of order 10 nm in many solids, although the exact value depends on the material.

If the implantation energy can be varied reproducibly, μSR becomes depth-selective. One can measure how magnetism, superconductivity, charge states, or diffusion change from the surface toward the interior of a thin film or multilayer structure. [2]

バルク測定から深さ方向の測定へ

ミュオンの停止深さは主として入射エネルギーによって決まります。MeV領域からkeV領域へエネルギーを 下げると、典型的な停止位置はバルク試料の内部からナノメートルスケールへ移ります。物質によって異なりますが、 目安として1 keV程度の正ミュオンは多くの固体中で10 nm程度の深さに停止します。

入射エネルギーを再現よく変えられれば、μSRに深さ選択性を持たせることができます。薄膜や多層膜の 表面から内部へ向かって、磁性、超伝導、ミュオンの電荷状態、拡散などがどのように変化するかを 深さの関数として調べられます。

Why simply slowing a 4-MeV beam is difficult

Passing surface muons through a thick absorber can reduce their average energy, but it also introduces large fluctuations in energy loss and scattering angle. Most muons are lost before a narrow, useful keV beam can be obtained. This is why dedicated moderation or re-generation techniques are required.

Two established approaches are solid rare-gas moderation, used for Low-Energy Muons (LEM), and laser ionization of thermal muonium, used for Ultra-Slow Muons (USM). J-PARC MUSE has developed the latter approach as a pulsed low-energy muon source. [6], [7]

4 MeVビームを単純に減速するだけでは難しい理由

表面ミュオンを厚い物質に通せば平均エネルギーを下げることはできますが、同時にエネルギー損失の揺らぎや 散乱角が大きくなります。狭いエネルギー幅を持つ実用的なkeVビームを取り出すまでに、多くのミュオンが 失われてしまいます。このため専用の減速・再生成法が必要です。

実用化されている代表的な方法には、固体希ガス減速材によるLow-Energy Muon（LEM）と、 熱ミュオニウムをレーザーイオン化するUltra-Slow Muon（USM）があります。J-PARC MUSEでは 後者をパルス型の低エネルギーミュオン源として開発しています。

Generation of Ultra-Slow Muons / 超低速ミュオンの生成

Muonium as an intermediate state

The USM method does not directly decelerate a 4-MeV muon to meV energy. Instead, the muon is first stopped in a material that emits muonium atoms into vacuum. Muonium is a neutral bound state of a positive muon and an electron, so once it leaves the surface it can drift freely without being accelerated by electric fields.

The kinetic energy of the emitted muonium reflects the temperature of the emitter. At the J-PARC U-line, both a hot tungsten foil at about 2000 K and a room-temperature silica-aerogel emitter are used. These correspond to characteristic thermal energies of about 0.2 eV and 25 meV, respectively. [2], [7]

ミュオニウムを中間状態として使う

USM法では、4 MeVのミュオンを直接meVまで減速するのではありません。まずミュオンを標的に停止させ、 真空中へ放出されるミュオニウム原子を生成します。ミュオニウムは正ミュオンと電子からなる中性原子なので、 表面を離れた後は電場で加速されることなく真空中を飛行できます。

放出されたミュオニウムの運動エネルギーは、主としてエミッターの温度を反映します。J-PARC U-lineでは、 約2000 Kの高温タングステンと室温のシリカエアロゲルの両方を用いており、それぞれ代表的に 約0.2 eVと25 meVの熱運動エネルギーに対応します。

Resonant laser ionization

Muonium atoms in vacuum are irradiated by two laser pulses. Light near 122 nm resonantly excites the atom from the 1S state to the 2P state, and a 355-nm photon then ionizes it. Removing the electron leaves a positive muon whose kinetic energy is essentially inherited from the neutral muonium atom.

The newly released muon is therefore extremely slow compared with an ordinary surface muon. Electrostatic fields can then extract it, accelerate it to a chosen keV energy, and focus it into a useful beam. In this sense, the method separates “cooling” from the final implantation energy: the phase space is set at the thermal-muonium stage, while the beam energy is chosen later by electrostatic acceleration. [4]

共鳴レーザーイオン化

真空中のミュオニウムに二種類のレーザーパルスを照射します。約122 nmの光で1S状態から2P状態へ 共鳴励起し、続いて355 nmの光でイオン化します。電子を取り除いて残る正ミュオンは、 元の中性ミュオニウムが持っていた運動エネルギーをほぼそのまま引き継ぎます。

こうして得られるミュオンは通常の表面ミュオンに比べて極めて低速です。その後、静電場で取り出し、 必要なkeV領域まで加速し、ビームとして収束させます。つまりUSM法では、位相空間を熱ミュオニウムの 段階で小さくした後、最終的な試料への入射エネルギーを静電加速で独立に選ぶことができます。

A useful feature of the pulsed source / パルス源ならではの利点： The ionization laser defines the creation time of the USM pulse. This gives the low-energy beam a sharp experimental time origin even though the primary J-PARC proton pulse is much broader. / USMが生成される時刻はイオン化レーザーによって決まるため、J-PARCの一次陽子パルス幅とは独立に、 低エネルギーミュオンの時間原点を鋭く定義できます。

U-Line at J-PARC MLF MUSE / J-PARC MLF MUSE U-line

From Super-Omega to U1A and U1B

The U-line is a dedicated beamline for generating and using ultra-slow muons. Surface muons are transported through the Super-Omega beamline to the muonium emitter. After laser ionization, the USM are extracted and transported by a combination of electrostatic and magnetic optics.

The beamline branches toward two experimental areas. U1A houses the μSR spectrometer described here, while U1B is being developed for transmission-muon microscopy and related beam applications. The same source can therefore support both materials measurements and beam-based imaging or instrumentation studies. [1], [2]

Super-OmegaからU1A・U1Bへ

U-lineは超低速ミュオンの生成と利用に特化したビームラインです。表面ミュオンをSuper-Omegaビームラインで ミュオニウムエミッターまで輸送し、レーザーイオン化後のUSMを静電・磁気光学系の組み合わせによって 取り出し、実験エリアへ運びます。

ビームラインは途中で二つの実験エリアへ分岐します。U1Aにはここで説明するμSR分光器が設置され、 U1Bでは透過型ミュオン顕微鏡などのビーム応用を開発しています。一つのUSM源を、物性測定と イメージング・装置開発の両方へ展開する構成です。

Controlling energy and spin

The USM-μSR spectrometer is mounted on a high-voltage platform. Changing the platform potential changes the final implantation energy without changing the upstream generation process, allowing scans from the sub-keV region to 30 keV.

USM carry about 50% spin polarization because the positive muon passes through the muonium intermediate state. A magnetic bend in the transport line also rotates the spin direction. A dedicated spin rotator is installed so that the polarization direction can be adapted to different μSR measurement geometries. [2]

エネルギーとスピンの制御

USM-μSR分光器全体は高電圧プラットフォーム上に設置されています。プラットフォーム電位を変えることで、 上流のUSM生成条件を変えずに最終的な試料への入射エネルギーを調整でき、sub-keVから30 keVまで エネルギースキャンが可能です。

正ミュオンはミュオニウムという中間状態を経るため、USMのスピン偏極率は約50%です。また輸送系の 磁気ベンドによってスピン方向も回転します。ビームラインには専用spin rotatorが設置されており、 μSRの測定配置に応じて偏極方向を制御できるよう開発を進めています。

Beam and Spectrometer Performance / ビームと分光器の性能

A compact, sharply timed low-energy beam

Commissioning measurements at the U1A sample position show a beam width of about 4 mm FWHM in both transverse directions. The USM time distribution relative to the ionization laser has a width of about 2 ns (1σ). The beam center remains stable to within approximately ±2 mm while the implantation energy is scanned from 0.3 to 30 keV.

A rate of about 230 muons/s was reported at the sample position in the commissioning data. These numbers are modest compared with an ordinary surface-muon beam, but the usable phase space is concentrated into the small spot, narrow time distribution, and tunable low-energy range needed for thin-film experiments. [2]

小さく、時間幅の狭い低エネルギービーム

U1Aの試料位置で行ったコミッショニングでは、横方向・縦方向ともに約4 mm FWHMのビーム幅を得ています。 イオン化レーザーを基準としたUSMの時間分布は約2 ns（1σ）です。また0.3–30 keVで入射エネルギーを 走査しても、ビーム中心はおよそ±2 mm以内に保たれます。

コミッショニングデータでは、試料位置で約230 muon/sのレートが報告されています。 通常の表面ミュオンビームと比べれば強度は小さい一方、薄膜測定に必要な小さなビーム径、短い時間幅、 可変な低エネルギーという有用な位相空間へビームを集中させていることがUSMの特徴です。

U1A μSR spectrometer

The sample is mounted on a helium-flow cryostat that reaches approximately 4 K. A magnetic field of up to about 0.1 T can be applied, and a load-lock allows samples to be exchanged without opening the main vacuum system. A retractable MCP detector with delay-line readout measures the USM beam profile and timing directly at the sample position during tuning.

Decay positrons are detected by a 512-segment scintillator array divided into 16 modules. The full USM-μSR system has an effective time resolution of about 5 ns (1σ). Module-by-module timing and phase calibration is used to recover the asymmetry efficiently from the segmented detector. [3]

U1A μSR分光器

試料は約4 Kまで冷却できるHe flowクライオスタットに取り付けます。約0.1 Tまでの磁場を印加でき、 load-lockによって主真空を開放せずに試料交換が可能です。ビーム調整時にはdelay-line readoutを備えた 引き抜き可能なMCP検出器を試料位置へ挿入し、USMの空間分布と時間分布を直接測定します。

崩壊陽電子は16モジュール、合計512セグメントのシンチレータ検出器で測定します。USM-μSRシステム全体の 実効時間分解能は約5 ns（1σ）です。分割検出器から統計効率よく非対称度を再構成するため、 モジュールごとの時刻・位相補正も行っています。

Energy definition / 入射エネルギー： High-voltage stability is already good enough that voltage fluctuations contribute only a few tens of eV to the implantation-energy width. The total beam-energy distribution also depends on the spatial extent of the ionization region and the extraction-field geometry, so these effects are being characterized together rather than represented by a single electronics number. / 高電圧の安定度から見積もられる入射エネルギー幅への寄与は数十eV程度です。一方、実際のビーム幅には イオン化領域の空間的広がりや取り出し電場の形状も寄与するため、電子回路由来の値だけでなく ビーム生成・輸送を含む系全体として評価を進めています。

Depth-Resolved μSR / 深度分解μSR

Scanning the stopping depth

The central idea of USM-μSR is simple: change the implantation energy and thereby change the depth at which the muons stop. The measured spin asymmetry then becomes a depth-dependent probe of the sample. Stopping-profile simulations are used together with the measured energy scan to connect the beam setting to the physical layer being sampled.

Unlike a destructive depth-profile measurement, each muon acts as a local probe and then decays. The same sample can therefore be scanned repeatedly as a function of depth, temperature, magnetic field, or another external parameter.

停止深さをスキャンする

USM-μSRの中心的な考え方は単純です。ミュオンの入射エネルギーを変えることで停止深さを変え、 得られるスピン非対称度を深さに依存する試料情報として読み出します。停止分布シミュレーションと 実際のエネルギースキャンを組み合わせ、各ビーム条件が試料のどの層を主に見ているかを対応づけます。

試料を削りながら測る破壊的な深さ分析とは異なり、各ミュオンは局所プローブとして停止した後に崩壊します。 そのため同じ試料について、深さだけでなく温度、磁場、その他の外場を変えながら繰り返し測定できます。

Demonstration with a SiO2/Pt multilayer

A first depth-profiling demonstration used a multilayer sample containing alternating SiO2 and Pt layers on a quartz substrate. Muons implanted in Pt remain mainly in a diamagnetic state, while a much larger fraction form muonium in SiO2. This makes the measured asymmetry sensitive to which layer receives most of the implanted muons.

Scanning the implantation energy produced the expected qualitative change in the μSR amplitude as the stopping distribution moved through the multilayer. The overall trend agrees with a stopping-profile model, while quantitative differences remain where the response depends sensitively on the muonium fraction in the deposited silica. These differences now provide a concrete target for improved sample characterization and response modeling. [2]

SiO2/Pt多層膜による実証

最初の深度プロファイル実証には、石英基板上にSiO2とPtを交互に積層した多層膜試料を用いました。 Pt中ではミュオンは主にdiamagnetic状態として存在する一方、SiO2中ではより高い割合で ミュオニウムを形成します。そのため観測される非対称度は、ミュオンがどの層に多く停止したかに敏感です。

入射エネルギーを走査すると、停止分布が多層膜内部を移動するのに応じてμSR振幅が変化し、 全体として停止分布モデルと整合する傾向を確認しました。一方、成膜SiO2中の ミュオニウム生成率に敏感な領域では定量的な差も残っています。この差を理解することが、 試料評価と応答モデルをさらに精密化する具体的な課題になっています。

Applications and Development / 応用と今後の開発

What becomes accessible

A tunable low-energy μSR probe is particularly useful when the physics is confined near a surface or interface. Examples include superconducting thin films, heterostructures, interfacial magnetism, depth-dependent screening fields, diffusion near surfaces, and buried functional layers. The technique is complementary to scattering and surface-sensitive probes because it measures local magnetic information inside the sample with a controllable stopping depth.

The same beam characteristics are also useful outside conventional μSR. A small, low-energy, sharply timed muon beam can support stopping-power studies, beam microscopy, detector development, and precision experiments that require a compact muon phase space. [5], [8]

どのような測定が可能になるか

可変エネルギーの低速μSRは、物理現象が表面や界面近傍に局在する場合に特に有効です。超伝導薄膜、 ヘテロ構造、界面磁性、深さに依存する磁場遮蔽、表面近傍の拡散、埋もれた機能層などが代表的な対象です。 試料内部の局所磁気情報を、停止深さを制御しながら測れる点で、散乱法や表面分析法と相補的です。

同じビーム特性は、通常のμSR以外にも利用できます。小径・低エネルギー・短時間幅のミュオンビームは、 阻止能測定、ビーム顕微鏡、検出器開発、コンパクトな位相空間を必要とする精密実験にも応用できます。

From commissioning to a user instrument

The present development focuses on increasing the usable beam rate and asymmetry while making the instrument reproducible for user experiments. Detector timing and phase calibration, remote switching between the sample and beam monitor, software interlocks, sample exchange, and standardized analysis are all part of this transition.

The objective is not only to produce ultra-slow muons, but to provide a complete experimental platform in which beam tuning, sample environment, μSR acquisition, and depth-profile analysis can be combined routinely. This is the step required for USM to move from a beam-development project to a practical probe of thin-film and interface science. [3]

コミッショニングからユーザー装置へ

現在は利用可能なビーム強度とμSR非対称度を高めると同時に、ユーザー実験で再現よく運用できる装置へ 仕上げることに重点を置いています。検出器の時刻・位相校正、試料とビームモニターの遠隔切替、 ソフトウェアインターロック、試料交換、標準化した解析などもこの開発に含まれます。

目標は単に超低速ミュオンを生成することではなく、ビーム調整、試料環境、μSRデータ取得、 深度プロファイル解析を一連の実験として日常的に行える基盤を作ることです。これによってUSMを ビーム開発の対象から、薄膜・界面科学に実用的に使えるプローブへ発展させます。

References / 参考文献

  1. S. Kanda et al., “The Ultra-Slow Muon beamline at J-PARC: present status and future prospects,” Journal of Physics: Conference Series 2462, 012030 (2023). doi:10.1088/1742-6596/2462/1/012030
  2. S. Kanda et al., “Depth-Resolved μSR Using Ultra-Slow Muons at the J-PARC MUSE Facility,” Journal of Physics: Conference Series 3222, 012016 (2026). doi:10.1088/1742-6596/3222/1/012016
  3. S. Kanda et al., “Muon Spin Spectrometer at MLF MUSE U1A: Commissioning Results and Upgrade Plans,” JPS Conference Proceedings 45, 011044 (2026). doi:10.7566/JPSCP.45.011044
  4. Y. Oishi et al., “Intense Lyman-alpha light source for ultra-slow muon generation,” Journal of Physics: Conference Series 2462, 012026 (2023). doi:10.1088/1742-6596/2462/1/012026
  5. Y. Nakazawa et al., “Time-of-Flight Measurement of Ultra-Slow Muons at J-PARC MUSE,” JPS Conference Proceedings 45, 011018 (2026). doi:10.7566/JPSCP.45.011018
  6. E. Morenzoni et al., “Generation of very slow polarized positive muons,” Physical Review Letters 72, 2793 (1994). doi:10.1103/PhysRevLett.72.2793
  7. K. Nagamine et al., “Ultraslow Positive-Muon Generation by Laser Ionization of Thermal Muonium from Hot Tungsten at Primary Proton Beam,” Physical Review Letters 74, 4811 (1995). doi:10.1103/PhysRevLett.74.4811
  8. A. Miura et al., “Feasibility Studies for Stopping Power Measurements Using Ultra-Slow Muons,” JPS Conference Proceedings 45, 011013 (2026). doi:10.7566/JPSCP.45.011013
  9. S. Kanda, “Muon Cooling for Muonium Spectroscopy and Interferometry,” Journal of Physics: Conference Series 3222, 012011 (2026). doi:10.1088/1742-6596/3222/1/012011

Related Publications & Presentations / 関連論文・発表

Selected papers and presentations related to the J-PARC USM beamline, U1A spectrometer, and low-energy-muon applications are listed below. / J-PARC USMビームライン、U1A分光器、低エネルギーミュオン応用に関係する主な論文・発表をまとめます。

Publications / 論文

  • 2026
    Depth-Resolved μSR Using Ultra-Slow Muons at the J-PARC MUSE Facility
    S. Kanda et al. · Journal of Physics: Conference Series 3222, 012016
  • 2026
    Muon Spin Spectrometer at MLF MUSE U1A: Commissioning Results and Upgrade Plans
    S. Kanda et al. · JPS Conference Proceedings 45, 011044
  • 2026
    Time-of-Flight Measurement of Ultra-Slow Muons at J-PARC MUSE
    Y. Nakazawa et al. · JPS Conference Proceedings 45, 011018
  • 2026
    Muon Cooling for Muonium Spectroscopy and Interferometry
    S. Kanda · Journal of Physics: Conference Series 3222, 012011
  • 2023
    The Ultra-Slow Muon beamline at J-PARC: present status and future prospects
    S. Kanda et al. · Journal of Physics: Conference Series 2462, 012030

Selected presentations / 主な発表

  • 2025
    Ultra-Slow Muons: Facility Status and Applications in Materials Science
    The 6th TRIUMF-KEK Scientific Symposium · Tsukuba · January 2025 · invited
  • 2024
    Muon Spin Spectrometer at MLF MUSE U1A: Commissioning Results and Upgrade Plans
    J-PARC2024 · Mito · October 2024
  • 2023
    Commissioning of the ultra-slow muon beamline towards practical use with thin-film samples
    MRM2023 · Kyoto · December 2023
  • 2023
    The ultra-slow muon facility at J-PARC MUSE
    MELODY2023 · Dongguan · November 2023
  • 2023
    Ultra-Slow Muons at J-PARC MUSE
    BRIDGE2023 · Villigen · October 2023
  • 2023
    Status of the ultra-slow muon beamline at J-PARC MUSE
    NuFACT2023 · Seoul · August 2023
  • 2022
    The Ultra-Slow Muon beamline at J-PARC: the present status and future prospects
    μSR2020/22 · Parma · September 2022