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摘要：利用高分辨率X射线探测器，全球首次直接观测到影响μ子催化核聚变（μCF）反应速率的μ子分子共振态，并定量确定了每个量子力学态的丰度比，有望推动核聚变实用化的研究。

关键词：核聚变、μ子分子、μCF反应、共振态、丰度比

要点

全球首次直接观测到μ子催化核聚变（μCF）中成为阐明分子生成过程关键的μ子分子共振态
通过TES探测器的高分辨率X射线光谱分析，建立了一种分离并定量观测各量子态的μ子分子的方法
定量地证实，经由共振态的反应路径作为主要分子生成过程发挥作用，从而解决了μCF反应速率理论与实验之间存在差异的问题
观测到包括绕过限速步骤的高速通道在内的转变，提出了一个能够理解和验证µCF反应的新框架
显著加深对提高µCF效率的基础理解

概要

研究小组利用高分辨率X射线探测器，全球首次直接观测到影响μ子催化核聚变（μCF）反应速率的μ子分子共振态，并定量确定了每个量子力学态的丰度比。

这一发现揭示了此前一直不甚明了的μ子分子生成过程的本质，并解决了理论与实验之间长期存在差异的问题。在μ子分子内部，原子核被限制在极近的距离内，因此无需使用等离子体，即使在常温下也能引发核聚变。

本成果将μCF研究深化到了能够区分并理解量子态的阶段，为提高有望成为未来能源的µCF的效率奠定了坚实的基础。

μCF反应过程中μ子分子与μ子原子发射X射线的示意图

图中展示了本研究揭示的经由共振态的路径（前景）和以往设想的路径（背景）。前景中，由两个氘核（d）和一个μ子（μ）组成的μ子分子的共振态（ddμ*）发射X射线；背景中，由μ子原子（dμ）发射X射线。观测结果证实，经由共振态的路径在μCF中起着重要作用。

研究内容

目前，世界各地都在开展核聚变实用化的研究。聚变发电具有诸多优势：原则上不会发生失控事故，安全性高，而且燃料可从海水中获得，在发电过程中不会排放二氧化碳。

为了诱导聚变，人们采用了诸如在极高温度下产生等离子体并用磁场约束它，或者用激光瞬间压缩燃料以获得高温高密度等离子体等方法。相比之下，μCF用μ子取代氢分子中的电子，形成大小约为原来1/200的微小μ子氢分子。在该μ子分子内部，原子核被限制在极近的距离内，因此无需使用等离子体，即使在常温下也能引发核聚变。为了高效地诱导μCF，快速生成μ子原子和μ子分子至关重要。然而，多年来，关于导致μ子分子生成的原子和分子反应过程，理论与实验之间一直存在差异，μ子分子共振态的作用也尚未阐明。

根据最近的理论研究，理论研究定量地证明，通过包含共振态在内的反应路径可以解决理论与实验之间存在差异的问题，并预测了显示共振态生成的特征X射线光谱。本研究通过利用能量分辨率比传统半导体探测器高10倍以上的超导转变边缘传感器（TES）微量热计（以下简称TES探测器，由美国国家标准与技术研究院（NIST）研制），成功分离并探测了源自μ子分子和μ子原子的X射线成分（图1）。

图1 μ子分子共振态的直接观测

通过TES探测器的高分辨率X射线光谱分析，研究小组成功将传统探测器难以识别的源自μ子分子共振态的X射线光谱结构与源自μ子原子(dμ)的X射线成分明确分离并加以观测。所获得的光谱与理论计算高度吻合，表明可在振动量子态层面识别出μ子氘分子的共振态(ddμ*)。这一结果为定量分析和验证μCF中各量子态的分子形成过程奠定了基础。

此外，通过将观测到的光谱与高精度理论计算进行比较，研究小组成功识别出由处于共振态的两个氘原子核（d）和一个μ子（μ）组成的μ子分子（ddμ*）的振动量子态，并定量评估了其丰度比。

这一定量识别结果表明，此前未被充分考虑过的、经由共振态的反应路径在μCF中起到了主要分子生成过程的作用。结果还表明存在一条“快速通道”，可以绕过μCF的限速步骤——μ子分子生成反应——直接过渡到发生核聚变的状。这些结果证实与理论预测相符。

本成果通过TES探测器的高分辨率X射线光谱分析，解决了μCF研究核心领域中反应速率理论与实验不一致这一未解难题，为μCF研究带来了突破。由于达到了可直接在量子态层面观测和识别μ子分子的阶段，μCF研究已从模糊理论模型的阶段显著迈入了可以通过精确实验验证基于量子态的反应过程的新阶段。

未来，通过将该方法应用于氘与氚混合体系等更高效的反应体系，有望在阐明µCF反应循环的整体情况、以及能源生产应用研究方面取得进一步进展。

https://www.chubu.ac.jp/news/56071/

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aed3321

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