首次直接观测到“μ子催化聚变”关键的共振态μ子分子

本文报道了对μ子催化核聚变（μCF）中关键中间体——μ子分子共振态（如ddμ*）的首次直接实验观测。μCF是一种无需高温等离子体的核聚变方式：带负电的μ子（质量约为电子的207倍）可将氢同位素原子核拉近至普通氢分子间距的约1/200，从而极大提高核聚变概率；聚变后μ子被释放，可继续催化下一轮反应。长期以来，理论预测存在一类不稳定的‘共振态μ子分子’（如dtμ*或ddμ*），它们虽不能稳定存在，却可能在解离过程中发射特征X射线（称为RC跃迁），并可能直接衰变至束缚态而发射另一类X射线（RB跃迁）。但因传统X射线探测器分辨率不足（约200 eV），这些信号一直被强背景（如dμ原子2p→1s跃迁，能量2.0 keV）完全掩盖。本研究采用美国国家标准与技术研究院（NIST）研制的超导过渡边传感器（TES）微热量计阵列，能量分辨率达8.3 eV（在2 keV处），比常规硅探测器高10倍以上。在J-PARC加速器的固体氘靶实验中，研究人员成功从强背景中分辨出位于1.6–2.0 keV能区的精细X射线结构，并通过迭代拟合证实：该结构完全对应于ddμ*共振态（主要为3dσg系列v=0–3振动能级及2pπu系列v=0, J=1态）解离时发射的RC X射线，且包含少量RB X射线成分。分析表明，约一半的μ子参与了这条此前被忽略的共振态路径，其形成机制高度依赖于‘Vesman机制’（即通过与氘分子碰撞并借助Feshbach共振实现能量匹配）及后续的俄歇跃迁级联过程。该结果不仅首次直接验证了μ子分子的量子态演化动力学，还为改进μCF反应模型、优化D-T靶设计、抑制αμ粘滞损耗（导致μ子永久丢失）提供了关键实验依据和定量约束。