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実際に機能する「コールド」フュージョンの一種が存在し、数十年にわたって実験的に検証されています。これは「ミュオン触媒核融合」と呼ばれており、実際にこの分野で研究している人々がいます。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。そして、Acceleron Fusionというスタートアップ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、強い核力が働き始め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場合、これがある程度の距離まで核の電荷を遮蔽します。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倍重いのです。そしてミュオンがとても重いため、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。つまり、水素原子の周りの電子をミュオンに置き換えると、電気的反発が妨げとならずに原子核をより近づけることができます。そしてそれにより、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、これをミュオン触媒核融合と呼びます。
これは1940年代にすでに理論的に予測され、1950年代に初めて実験的に確認されたので、新しいアイデアというわけではありません。しかし、これが機能するなら、なぜ私たちはすでに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？おそらく想像されたように、いくつかの問題があります。
最初の問題は、ミュオンが不安定であることです。崩壊するまでに触媒できる核融合反応の数に限りがあります。第二の問題がなければこれはそれほど大きな問題ではないのですが、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張り付いてしまいます。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、1つのミュオンは約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—当時の人々はまだこの種の研究に時間をかけることができました。
ミュオンが張り付くという問題もそれほど大きな問題ではないはずですが、第三の問題があります：ミュオン生成は現在、粒子加速器で行われており、これはエネルギー効率がよ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、テクノロジーはそれ以来大きく進歩しています。実際、スタートアップのAcceleron Fusionは現在、ミュオン触媒核融合を市場に投入しようとしています。彼らは12月に2400万ドルを調達し、陽子加速器でそれを実現しようとしています。陽子をターゲットに撃ち込み、パイオンを生成し、それがミュオンに崩壊します。
彼らの技術がネットエネルギーを生産するためには、陽子加速をできるだけ効率的にする必要があります。また、燃料を大気圧の約1000倍の圧力にかけることで、ミュオンがヘリウムにすぐに張り付くのを避ける計画もあります。
私は陽子加速器がエネルギー効率的になるという点についてはやや懐疑的ですが、おそらく以下のことが役立つかもしれません。3月に、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ークフィールド加速を使用しています。そう、これは何十億ドルもの費用や国際協定、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。
レーザーウェークフィールド加速は、レーザーパルスをガス（通常は水素）に照射することで機能します。レーザーはガスにエネルギーを与え、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、加速させます。
この技術は数センチメートルの距離で数ギガ電子ボルトの範囲の電子エネルギーを生成できます。比較すると、LHCには同様のエネルギーまで陽子を加速する前段加速器がありますが、その周囲は100メートル以上あります。ウェークフィールド加速は、より大きな粒子衝突型加速器を実際に構築するほどには優れていませんが、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ークフィールド加速を使用してGeV電子を作り出し、それを鉛ターゲットに投入し、1ショットあたり約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、それでも長さは20メートルほどあるので、これをテーブルトップ実験と呼ぶなら、かなり長いテーブルが必要でしょう。そしてレーザーもエネルギー効率がよいことで知られているわけではありません。しかし、それでも驚くべき成果であり、ミュオン生産のための全く新しい道を切り開くものです。
ミュオン触媒核融合が近い将来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、それが機能するようになれば、素粒子物理学者たちは自分たちの加速器が結局役に立ったと自慢できるでしょう。
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