Физики в Японии впервые уловили рентгеновские сигналы необычных молекул, которые помогают атомным ядрам сливаться даже при комнатной температуре. Сверхчувствительные датчики позволили разглядеть состояния молекул, десятилетиями остававшиеся недоступными для прямого наблюдения. Открытие помогает понять, как работает холодный ядерный синтез и почему учёным до сих пор не удалось превратить его в источник дешёвой энергии.
При обычном термоядерном синтезе атомные ядра приходится сближать вопреки электрическому отталкиванию. Для этого физики разогревают топливо до огромных температур, создавая раскалённую плазму. Однако существует другой способ заставить ядра соединиться. Достаточно заменить в атоме одну крошечную частицу.
На помощь приходит мюон, родственник электрона, который тяжелее примерно в 207 раз. Когда отрицательно заряженный мюон занимает место электрона в атоме водорода, размер атома резко уменьшается. Два ядра могут образовать молекулу, внутри которой расстояние между ними примерно в 200 раз меньше обычного. Ядра сближаются настолько, что возрастает вероятность их слияния. Физики называют процесс мюон-катализируемым синтезом.
Самое интересное начинается после ядерной реакции. Мюон обычно освобождается и может присоединиться к следующему атому, помогая запустить очередное слияние. Одна частица способна повторять цикл многократно. Причём для реакции не нужна плазма, нагретая до миллионов градусов. Мюоны позволяют ядрам сближаться при сравнительно низких температурах.
Механизм известен физикам с 1950-х годов, но образование мюонных молекул долго оставалось загадкой. Теоретические расчёты не вполне совпадали с результатами экспериментов, а обычные приборы не позволяли различить сигналы отдельных состояний молекул. Теперь исследователи смогли преодолеть ограничение и впервые напрямую зарегистрировали характерное рентгеновское излучение мюонных молекул.
Для эксперимента учёные направили поток отрицательно заряженных мюонов на замороженный дейтерий, тяжёлый изотоп водорода. Частицы вытесняли электроны из атомов и помогали образовывать молекулы с двумя ядрами дейтерия. Исследователей интересовал короткий промежуточный этап, когда молекула находится в особом возбуждённом состоянии. От поведения молекулы на таком этапе зависит, насколько быстро она сформируется и сможет ли запустить ядерную реакцию.
Уловить слабые сигналы помогли сверхпроводящие датчики, способные измерять энергию рентгеновских квантов с очень высокой точностью. Приборы позволили отделить излучение молекул от излучения отдельных мюонных атомов и различить их колебательные состояния. Сравнив измерения с расчётами, физики определили, какие состояния возникают чаще. Результаты объяснили давние расхождения между теорией и наблюдениями.
Однако до электростанции на холодном синтезе по-прежнему далеко. Главная проблема кроется в самих мюонах. Средняя продолжительность жизни частицы составляет всего 2,2 микросекунды, после чего она распадается. Иногда мюон также остаётся прикреплённым к ядру, образовавшемуся при синтезе, и выбывает из дальнейших реакций. Учёным приходится учитывать обе потери.
Получать мюоны дорого с энергетической точки зрения. Чтобы установка вырабатывала больше энергии, чем потребляет, каждому мюону, по одной из оценок, нужно успевать запускать примерно 300 реакций или больше. Большинство физиков сомневаются, что удастся достичь необходимой эффективности. Однако Синдзи Окада, один из участников японского исследования, пока не исключает возможности улучшить результат.
Даже без положительного энергетического баланса мюонный синтез может пригодиться. Физики рассматривают возможность получать с его помощью медицинские радиоизотопы и перерабатывать радиоактивные отходы. Пока речь идёт о потенциальных применениях, для которых ещё предстоит разработать и проверить практические решения.
Исследования мюонов также открывают доступ к необычному миру атомов, где вместо электронов вокруг ядер движутся гораздо более тяжёлые частицы. Физики научились создавать атомы с каонами и антипротонами. Из-за огромной массы заменяющих частиц размеры атомов резко сокращаются, а электрические поля внутри становятся чрезвычайно сильными. Учёные получают возможность проверять физические законы в условиях, которые трудно воспроизвести другими способами.
В одном из недавних экспериментов исследователи изучили фтор, в атомах которого место электрона занял отрицательно заряженный каон. Напряжённость электрического поля превышала предел Швингера, при котором теория предсказывает необычные квантовые эффекты. Измерения согласовались с расчётами и помогли проверить квантовую электродинамику, описывающую взаимодействие света и заряженных частиц. Самопроизвольное рождение частиц из вакуума учёные при этом не наблюдали.
У холодного синтеза непростая история. В 1989 году химики Мартин Флейшман и Стэнли Понс объявили, что получили неожиданно большое количество тепла в настольной установке с палладиевым электродом. Авторы предположили, что внутри происходит ядерный синтез при комнатной температуре. Открытие обещало перевернуть энергетику, но независимые лаборатории не смогли надёжно повторить результат. Научное сообщество отвергло первоначальные выводы.
Впоследствии Google поддержала новую попытку разобраться в холодном синтезе. Исследователи несколько лет изучали взаимодействие водорода с металлами и искали признаки необычных ядерных реакций. Опубликованные в 2019 году результаты не подтвердили старые заявления, зато помогли лучше понять поведение водорода внутри материалов.
Мюон-катализируемый синтез от истории 1989 года принципиально отличается. Физики давно подтвердили существование реакции и теперь пытаются разобраться в её тонкостях. Новые измерения помогают проследить за рождением молекул, от которых зависит скорость слияния ядер. Даже если холодный синтез не обеспечит человечество дешёвым электричеством, необычные атомы могут открыть дорогу к новым способам исследования вещества, проверки физических теорий и применения ядерных реакций.