Four-body scattering theory on resonant core in muon catalyzed fusion

2021 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 20K14381
• Research Category: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Basic Section 13020:Semiconductors, optical properties of condensed matter and atomic physics-related
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: Yamashita Takuma 東北大学, 高度教養教育・学生支援機構, 助教 (40844965)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2022-03-31
• Keywords: ミュオン / 少数多体系理論 / 原子衝突 / 共鳴状態 / オージェ遷移

Outline of Final Research Achievements

Muon-catalyzed fusion, in which a negative muon mediates a nuclear fusion reaction, involves a lot of exotic atomic processes and is suitable for testing quantum mechanical scattering theory. In this study, we focus on small metastable quantum systems, 'resonant cores', such as metastable nucleus in electron clouds, embedded in a light particle cloud. The aim of this study is to clarify their formation and decay processes from precise theoretical calculations. The energy levels and structure of the muonic molecule resonant core in the electron cloud have been revealed for the first time by quantum four-body calculations, and it is found that some of the resonance levels are generated by opposite quantum mechanical effects, namely finite volume effect and diatomic bonding. These states can be investigated by observation of dissociative X-rays.

Free Research Field

原子・分子理論

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

ミュオン触媒核融合は、熱核融合と異なり、高温のプラズマを必要とせず、気体・液体・固体の水素で反応が起こるため、新しいエネルギー・中性子源として期待されている。一方で、原子核と強く結合するミュオンの原子過程は複雑で、特に、本研究で着目した「電子雲中のミュオン分子」のような系は、コアと電子の空間的な大きさが大きく異なり、それらを同時に扱った理論研究は未だ発展途上である。本研究では、これまで定性的に理解されていた複数の量子状態を最新の精密計算によって予言し、これを観測する道を示した。この結果は、ミュオン触媒核融合の新しい反応経路の探索に寄与する。