日本中部大学μ子理工学研究中心的外山裕一特任助教、冈田信二教授，以及日本东北大学研究生院理学研究科化学专业的山下琢磨副教授、木野康志教授等为核心的国际联合研究团队，利用低温探测器进行高分辨率X射线光谱分析，在全球首次成功直接观测到μ子分子共振态，μ子分子共振态能够左右以μ子为媒介的μ子催化核聚变（μCF）反应速率。此外，研究团队还定量测定出各量子态的存在比例。此前一直不清楚的μ子分子生成过程的真实面貌得以阐明，解决了多年来理论与实验不符的问题。该成果将大幅推动μ子催化核聚变迈向高效化的研究基础。相关成果已发表在《Science Advances》上。
图1 μCF反应过程中μ子分子与μ子原子释放X射线示意图（供图：中部大学）
图2 μ子分子共振态的直接观测（供图：中部大学）
利用TES探测器的高分辨率X射线光谱技术，研究团队成功将既往探测器难以识别的、源自μ子分子共振态的X射线谱结构，与源自μ子原子（dμ）的X射线成分明确分离并加以观测。所得光谱与理论计算结果高度吻合，表明已能够在振动量子态层面上对μ子重氢分子的共振态（ddμ*）加以鉴定。该结果为按量子态定量解析与验证μCF中的分子生成过程奠定了基础。（本图改编自Y. Toyama et al., Science Advances (2026)）
使氢原子核之间发生融合的聚变发电，通常采用在极高温度下生成等离子体并用磁场加以约束的方法，或利用激光瞬间压缩燃料以实现高温高密度等离子体的方法。而μCF则通过将氢分子中的电子替换为μ子，形成尺寸约缩小至1/200的μ子氢分子。在这种μ子分子中，原子核被束缚在极近的距离内，因此无需借助等离子体，在常温下即可引发核聚变。
为实现高效的μCF，迅速生成μ子原子和μ子分子至关重要。然而，通往μ子分子生成的原子与分子反应过程，长年来在理论与实验之间存在差异，μ子分子共振态的作用此前也一直未被阐明。
东北大学的木野教授与山下副教授等人通过精密的理论研究，定量展示了包含共振态的反应路径有可能解决理论与实验之间的差异，并预测了显示共振态生成的特征性X射线光谱。
在该研究中，通过使用能量分辨率较既往半导体探测器高出10倍以上的超导转变边传感器型微量热计（TES探测器），研究团队成功将源自μ子分子与μ子原子的X射线成分分离并分别检出。进而，通过将观测到的光谱与高精度理论计算进行比较，研究团队成功对处于共振态的、由两个氘原子核（d）与一个μ子（μ）组成的μ子分子（ddμ）的振动量子态进行了鉴定，并定量评估了各量子态的存在比例。
经定量分析证实，此前一直未被纳入考量的、经由共振态的反应路径，在μCF中承担着主导分子生成过程的核心作用。此外，研究结果还提示，存在一条能够绕开作为μCF速率控制步骤的μ子分子生成反应，直接跃迁至引发核聚变状态的“快车道”。上述各项结论均与理论预测高度吻合。
研究已实现在量子态层级直接观测并鉴定μ子分子，由此，μCF研究从依赖模糊理论模型的阶段，向通过精密实验验证基于量子态的反应过程的全新阶段迈出了一大步。
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
期刊：Science Advances
论文：Direct observation of muonic molecules in resonance states critical to muon catalyzed fusion
DOI：10.1126/sciadv.aed3321
