Исследователи сравнили свои наблюдения с высокоточными теоретическими предсказаниями.
Термоядерный синтез, катализируемый мюонами, — это одна из тех странных концепций, которая достаточно многообещающа, чтобы поддерживать интерес исследователей, но упорно сопротивляется практическому применению.
Основная идея этого процесса заключается в замене электронов в водороде более тяжелыми частицами, называемыми мюонами, в результате чего ядра притягиваются настолько близко друг к другу, что термоядерный синтез (процесс, происходящий в ядре нашего Солнца и других звезд) может происходить при комнатной температуре.
Никаких массивных реакторов, никакой экстремальной жары. И все же на протяжении десятилетий эксперименты не могли подтвердить теорию. Физики подозревали, что ключ к ускорению процессов кроются в короткоживущих резонансных состояниях внутри этих необычных молекул.
Проще говоря, эти состояния действуют как идеальные моменты времени, которые значительно облегчают сближение и слияние частиц. Однако, к сожалению, эти состояния оставались недостижимыми.
Новое исследование впервые дает четкое и прямое спектроскопическое представление об их идентификации, предлагая более ясное понимание процесса, который оставался неясным на протяжении многих лет.
«Наша работа выявляет давно игнорируемый путь резонансного состояния как решающий фактор в катализируемом мюонами синтезе (μCF) и предоставляет прямые доказательства эффективного образования мюонных молекул», — отмечают авторы исследования.
Проблема, которую теория решила, но эксперименты не смогли решить.
Термоядерный синтез, катализируемый мюонами, не является новой идеей. С конца XX века эксперименты показали, что мюоны, частицы примерно в 200 раз тяжелее электронов, могут сжимать ядра водорода примерно до 1/200 от их обычного расстояния. В этих условиях термоядерный синтез может происходить без необходимости в чрезвычайно горячей плазме.
Со временем физики-теоретики создали подробные модели, объясняющие, как часто должны происходить эти реакции. Многие из этих моделей указывали на резонансные состояния как на важнейшие промежуточные звенья, ускоряющие образование мюонных молекул.
Например, в некоторых исследованиях утверждалось, что эти состояния действуют как квантовые ярлыки, повышая скорость термоядерного синтеза за счет правильного выравнивания энергетических уровней. В то время как другие предполагали, что резонансные состояния формируют весь цикл реакции, влияя на то, как течет энергия и как быстро повторяется термоядерный синтез.
Однако у этих предыдущих работ был фундаментальный недостаток. Эксперименты не позволяли четко обнаружить эти состояния. Рентгеновские лучи, испускаемые в процессе, сильно перекрывались, поскольку многие переходы происходят при очень похожих энергиях, что делало различные квантовые состояния неразличимыми.
Короче говоря, у учёных было убедительное теоретическое объяснение, но не было прямых наблюдательных доказательств. Новое исследование призвано восполнить этот пробел.
Увидеть то, что раньше было скрыто.
Новое исследование рассматривает проблему с другой стороны. Вместо того чтобы пытаться упростить систему, оно улучшает способ ее наблюдения. Исследователи использовали сверхпроводящий микрокалориметр с датчиком на границе перехода, детектор, способный измерять чрезвычайно малые различия в энергии рентгеновского излучения с исключительной точностью.
При образовании мюонных молекул и переходе между их состояниями они испускают рентгеновские лучи, несущие информацию об их внутренней структуре. В более ранних экспериментах эти сигналы сливались в единый неразрешенный спектр, в котором перекрывались излучения как от мюонных атомов, так и от мюонных молекул.
С помощью нового детектора команда смогла разделить эти перекрывающиеся признаки и отнести их к конкретным процессам.
«Используя массив микрокалориметров с датчиками на переходном крае, обладающих в 10 раз лучшим энергетическим разрешением по сравнению с обычными кремниевыми детекторами, мы наблюдали рентгеновское излучение от резонансных состояний молекул мюонного дейтерия, несмотря на интенсивный фоновый шум», — заявили авторы исследования.
Далее исследователи сравнили свои наблюдения с высокоточными теоретическими предсказаниями. Это сравнение позволило им идентифицировать колебательные квантовые состояния молекул, включая те, которые связаны с резонансом. Они также смогли определить, как часто встречается каждое состояние, что дало количественное представление об их роли.
В более ранних работах косвенно указывалось на резонансные эффекты. Однако здесь состояния различаются спектроскопически и идентифицируются с помощью точных рентгеновских измерений в сочетании с теорией, что позволяет разрешить давнее несоответствие между теорией и экспериментом.
Более четкий план действий, но не быстрое решение.
Этот прорыв не решает самых больших практических проблем термоядерного синтеза, катализируемого мюонами. Для образования мюонов по-прежнему требуется значительная энергия, и каждый мюон имеет короткое время жизни, часто попадая в ловушку продуктов реакции, прежде чем сможет катализировать множество термоядерных реакций.
Эти ограничения по-прежнему препятствуют тому, чтобы процесс стал энергоположительным. Новое исследование изменило уровень контроля и понимания.
Благодаря выявлению состояний, связанных с резонансом, и измерению их поведения, исследователи теперь имеют более четкое представление о том, что определяет эффективность термоядерного синтеза, катализируемого мюонами. Это переводит область исследований с опоры на косвенные доказательства на работу с экспериментально подтвержденными механизмами.
Короче говоря, данное исследование не делает термоядерный синтез практически осуществимым в одночасье, но оно, наконец, раскрывает детали, необходимые ученым для целенаправленного продвижения вперед.
Следующие шаги, вероятно, будут сосредоточены на уточнении этих измерений, изучении различных изотопов и использовании полученных новых данных для разработки условий, способствующих наиболее эффективным путям реакции.
Результаты исследования опубликованы в журнале Science Advances.
Sourse: interestingengineering.com
