日本中部大學μ子理工學研究中心的外山裕一特任助教、岡田信二教授，以及日本東北大學研究生院理學研究科化學專業的山下琢磨副教授、木野康志教授等為核心的國際聯合研究團隊，利用低溫探測器進行高分辨率X射線光譜分析，在全球首次成功直接觀測到μ子分子共振態，μ子分子共振態能夠左右以μ子為媒介的μ子催化核融合（μCF）反應速率。此外，研究團隊還定測量定出各量子態的存在比例。此前一直不清楚的μ子分子生成過程的真實面貌得以闡明，解決了多年來理論與實驗不符的問題。該成果將大幅推動μ子催化核融合邁向高效化的研究基礎。相關成果已發表在《Science Advances》上。
圖1 μCF反應過程中μ子分子與μ子原子釋放X射線示意圖（供圖：中部大學）
圖2 μ子分子共振態的直接觀測（供圖：中部大學）
利用TES探測器的高分辨率X射線光譜技術，研究團隊成功將既往探測器難以識別的、源自μ子分子共振態的X射線譜結構，與源自μ子原子（dμ）的X射線成分明確分離並加以觀測。所得光譜與理論計算結果高度吻合，表明已能夠在振動量子態層面上對μ子重氫分子的共振態（ddμ*）加以鑑定。該結果為按量子態定量解析與驗證μCF中的分子生成過程奠定了基礎。（本圖改編自Y. Toyama et al., Science Advances (2026)）
使氫原子核之間發生融合的聚變發電，通常採用在極高溫度下生成電漿並用磁場加以約束的方法，或利用雷射瞬間壓縮燃料以實現高溫高密度電漿的方法。而μCF則通過將氫分子中的電子替換為μ子，形成尺寸約縮小至1/200的μ子氫分子。在這種μ子分子中，原子核被束縛在極近的距離內，因此無需藉助電漿，在常溫下即可引發核融合。
為實現高效的μCF，迅速生成μ子原子和μ子分子至關重要。然而，通往μ子分子生成的原子與分子反應過程，長年來在理論與實驗之間存在差異，μ子分子共振態的作用此前也一直未被闡明。
東北大學的木野教授與山下副教授等人通過精密的理論研究，定量展示了包含共振態的反應路徑有可能解決理論與實驗之間的差異，並預測了顯示共振態生成的特徵性X射線光譜。
在該研究中，通過使用能量分辨率較既往半導體偵檢器高出10倍以上的超導轉變邊感測器型微量熱計（TES探測器），研究團隊成功將源自μ子分子與μ子原子的X射線成分分離並分別檢出。進而，通過將觀測到的光譜與高精度理論計算進行比較，研究團隊成功對處於共振態的、由兩個氘原子核（d）與一個μ子（μ）組成的μ子分子（ddμ）的振動量子態進行了鑑定，並定量評估了各量子態的存在比例。
經定量分析證實，此前一直未被納入考量的、經由共振態的反應路徑，在μCF中承擔著主導分子生成過程的核心作用。此外，研究結果還提示，存在一條能夠繞開作為μCF速率控制步驟的μ子分子生成反應，直接躍遷至引發核融合狀態的「快車道」。上述各項結論均與理論預測高度吻合。
研究已實現在量子態層級直接觀測並鑑定μ子分子，由此，μCF研究從依賴模糊理論模式的階段，向通過精密實驗驗證基於量子態的反應過程的全新階段邁出了一大步。
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
期刊：Science Advances
論文：Direct observation of muonic molecules in resonance states critical to muon catalyzed fusion
DOI：10.1126/sciadv.aed3321
