Руководители группы ПИЯФ:    А.А.Воробьев, Е.М.Маев, Г.Г.Семенчук.

Мюонным катализом называют совокупность мезоатомных, мезомолекулярных и ядерных процессов, происходящих при остановке отрицательных мюонов в смесях изотопов водорода, в результате которых осуществляются реакции dd и dt-синтеза. Особый интерес к исследованию мюонного катализа связан с теоретическими предсказаниями, а затем и с экспериментальными подтверждениями наличия у ddµ и dtµ -молекул слабосвязанных уровней с квантовыми числами J=ν=1 и энергией ~ 1,96 эВ и ~ 0,66 эВ, соответственно для ddµ и dtµ -молекул. Достижение указанных параметров приводило к высокой скорости образования мезомолекул и, как следствие, к высокому выходу нейтронов dd и dt-синтеза. Механизм образования указанных мезомолекул получил название резонансного.

Для исследования мезомолекулярных процессов в ОФВЭ был предложен новый эффективный экспериментальный метод, использующий ионизационную камеру высокого давления (P~100 атм.) в качестве активной мишени и детектора заряженных продуктов синтеза. Эксперименты с использованием этого метода вначале были выполнены в ПИЯФ, а затем продолжены на мезонной фабрике института Пауля Шеррера (Швейцария). В результате были определены с высокой точностью все основные параметры мезокатализа
dd-синтеза при Т=300 К: скорость образования ddµ-молекул: λddµ = (2.76 ± 0.08)·10⁶ с^-1, отношение выходов двух каналов dd-синтеза:R=Y(³He+n)/Y(³H+p)=1.39 ± 0.04, коэффициент прилипания мюонов к ядрам
гелия-3: ω_dd =0.122 ± 0.003.
Как видно, метод ионизационной камеры оказался чрезвычайно эффективным при исследовании ddμ -катализа по сравнению с методикой регистрации нейтронов синтеза.

Последующие измерения позволили определить энергию слабосвязанного уровня E₁₁= 1,9651эВ, которая совпала с расчетным значением с точностью 2,5х10^-4. Полученное согласие теории и эксперимента однозначно подтверждает резонансный механизм образования ddµ-молекул. Важным результатом, имеющим практическое значение, явилось измерение вероятности прилипания мюона к ядру ⁴He в реакции dtµ -> ⁴Heµ + n. Тем самым было определено максимально возможное число циклов dt-синтеза, катализируемых одним мюоном, или, что тоже самое, число нейтронов на мюон. Это число оказалось равным 178 ± 13. Данная работа в 2003 году была отмечена Премией им. А.Ф. Иоффе Правительства СПб и СПбНЦ РАН.

Другое направление исследований, связанное с использованием ионизационных камер, было посвящено процессам захвата мюонов легкими ядрами. Целью эксперимента было прецизионное измерение скорости захвата мюонов ядром ³He. Это достигалось выделением области остановок мюонов в чувствительном объеме камеры с точностью ~10^-4 и регистрацией заряженных частиц с эффективностью 100%. Измеренная величина скорости мюонного захвата в ³He оказалась в согласии с теоретическими предсказаниями, основанными на гипотезе частичного сохранения аксиального тока.

Дальнейшим развитием программы по измерению скорости захвата мюонов в легких ядрах стал эксперимент по захвату мюонов в водороде – MuCap. Основным измеряемым параметром был псевдоскалярный форм-фактор протона gp, величина которого является чувствительным тестом симметрий, заложенных в Стандартной Модели. Для реализации целей эксперимента в ОФВЭ была разработана время-проекционная камера (TPC), работающая при 10 атм. ультрачистого водорода, дополнительно обедненного дейтерием. Скорость захвата определялась из разницы времени жизни положительных и отрицательных мюонов с точностью 1% , которая, в свою очередь, измерялась с экстремально высокой точностью 10 ppm, что обеспечивалось набором статистики на уровне ~ 10¹⁰ остановок мюонов. Отбор событий в TPC осуществлялся при условии совпадения сигналов от остановки мюонов в газе и сигналов со счетчиков электронов распада. В итоге, декларируемая в эксперименте точность была достигнута, что позволило впервые определить значение gp, оказавшееся близким к оценкам Стандартной Модели.

Результаты проведенных экспериментов составили основу мировых данных по физике мезокатализа и позволили ПИЯФ занять ведущее место среди научных центров, исследующих это явление.

(Более подробно этот вопрос обсуждается в статье "Исследование мюонного катализа dd- и dt- синтеза." - (стр.244-256) в отчёте Отделения Физики Высоких Энергий ПИЯФ "Основные направления научной деятельности в 1971-1996")
и в файле "ХРОНОЛОГИЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА МЮОННОГО КАТАЛИЗА dd-и dt-СИНТЕЗА в ПИЯФ" статьи "ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА МЮОННОГО КАТАЛИЗА ЯДЕРНОГО dd-и dt-СИНТЕЗА в ПИЯФ".