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実際に機能する「コールド」フュージョン（低温核融合）の一種があり、数十年にわたって実験的に検証されてきました。これは「ミュオン触媒核融合」と呼ばれるもので、実際に研究者たちが取り組んでいます。先月、研究者たちはレーザーを使用してミュオンを生成する新しい方法を実証し、最大の実用的課題の一つを潜在的に解決しました。また、Acceleron Fusionというスタートアップ企業がミュオン触媒核融合で世界を救うための資金を調達しています。これはどれほど突飛なアイデアなのでしょうか？見ていきましょう。
核融合の最大の問題は、原子核がすべて正の電荷を持っているため、互いに反発することです。まず、この電気的反発を克服して、強い核力が作用するようにする必要があります。原子核の周りに電子があると、ある程度の距離まで核の電荷が遮蔽されます。
しかし、電子軌道は原子核からあまりにも遠いため、この遮蔽効果では原子核を十分に近づけることができません。そこでミュオンの出番です。ミュオンは電子に似た素粒子ですが、約200倍重いのが特徴です。ミュオンがこれほど重いため、原子核の周りのエネルギー軌道はずっと小さくなります。
これは、水素原子の周りの電子をミュオンに置き換えると、電気的反発を避けながら原子核をより近づけることができることを意味します。これにより、室温でも核融合の確率が大幅に高まります。ミュオンは触媒として機能するため、ミュオン触媒核融合と呼ばれます。この理論は既に1940年代に予測され、1950年代に初めて実験的に確認されたので、これは新しいアイデアではありません。
しかし、これが機能するなら、なぜ私たちはまだミュオン触媒核融合で世界に電力を供給していないのでしょうか？予想通り、いくつかの問題があります。
最初の問題は、ミュオンが不安定だということです。崩壊するまでに触媒できる核融合の数に限りがあります。これは、重水素と三重水素の間の核融合反応の約1%で、ミュオンがヘリウム核に付着してしまうという二番目の問題がなければ、そこまで大きな問題ではないでしょう。そうなると、それ以上の核融合を触媒することができなくなります。
これは利用可能なミュオンの数が減少することを意味します。通常、ミュオンは約100回の核融合反応しか触媒できません。観測された記録は150回で、これは1980年代に遡ります—当時の人々はこの種の研究に時間をかけることができました。
ミュオンが付着することも、三番目の問題がなければそれほど大きな問題ではないでしょう：現在、ミュオン生成は粒子加速器で行われていますが、これはエネルギー効率が良いことで知られていません。そのため、核融合反応から得られるエネルギーよりもはるかに多くのエネルギーを投入する必要があります。
しかし、それは1980年代の状況であり、それ以来技術は大きく進歩しています。実際、スタートアップのAcceleron Fusionは今、ミュオン触媒核融合を市場に出そうとしています。彼らは12月に2400万ドルを調達して、陽子加速器でこれを実現しようとしています。彼らは陽子をターゲットに発射し、それがパイオンを生成し、そのパイオンがミュオンに崩壊します。
彼らの技術が正味のエネルギーを生産するためには、陽子の加速をできるだけ効率的にする必要があります。また、ミュオンがヘリウムにすぐに付着するのを避けるために、燃料を大気圧の数千倍の圧力にかけるという計画もあります。
私は陽子加速器がエネルギー効率的になるかどうか懐疑的ですが、以下の方法が役立つかもしれません。3月、イギリスとルーマニアの研究者たちがミュオンを生成する新しい方法を実証しました。彼らはレーザー・ウェイクフィールド加速を使用しています。そう、これは巨額の資金、国際的な合意、地質調査を必要としない規模に加速器を縮小できる可能性のある同じ技術です。
レーザー・ウェイクフィールド加速は、レーザーパルスを気体（通常は水素）に照射することで機能します。レーザーはエネルギーを気体に与え、電子を吹き飛ばし、急速に移動する正電荷の領域を残します。これが後方から電子を引き寄せ、加速します。
この技術は、わずか数センチメートルで数ギガ電子ボルト範囲の電子エネルギーを生成することができます。比較すると、LHCには陽子を同様のエネルギーまで加速する前加速器がありますが、その周囲は100メートル以上もあります。ウェイクフィールド加速はまだ実際により大きな粒子衝突型加速器を建設するのに十分ではありませんが、ミュオンの生成？それは別の話です。
この新しい研究では、研究者たちはレーザー・ウェイクフィールド加速を使用してGeV電子を作り出し、それらを鉛のターゲットに投入し、一回の照射で約1万個のミュオンを生成しました。
公平に言うと、彼らはペタワットレーザーを使用しており、それはまだ約20メートルの長さがあるため、テーブルトップ実験と呼ぶなら非常に長いテーブルが必要でしょう。またレーザーもエネルギー効率が良いとは言えません。しかし、それでもこれはミュオン生成の全く新しい道を切り開く注目すべき成果です。
ミュオン触媒核融合がすぐに私たちの家に電力を供給することはないでしょう。しかし、もし彼らがそれを機能させることができれば、粒子物理学者たちはついに彼らの加速器が実際に役立ったと自慢できるでしょう。
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