of stars . High temperatures and densities allow hydrogen and helium nuclei to get close

高温高圧の状態が水素やヘリウムの原子核同士を

enough to fuse together into bigger nuclei and release a TON of energy, powering even

より大きな原子核へと融合できるほど近づけさせ、 ヤバイほどエネルギーを放出する。

more fusion while releasing enough extra to power the star, or if you set this situation

それは恒星が余分なエネルギーを 放出するほどの力であり、

up on earth, you might have a hydrogen bomb.

地球上で言うなら、まさしく水爆だろう。

But it's actually possible for fusion to occur at temperatures much, much lower than

しかし、太陽のコアよりもっと、もっと低い温度でも

the core of the sun - like, room temperature, for example.

核融合を起こすことは実際可能だ。 例えば室温とかでも。

Now, I'm not talking about the infamous “cold fusion” of the 1980s that hasn't

今言っているのは1980年代に発表された 全く再現性がない無名な

been shown to work or involve any, well, fusion - no, I'm talking about the room-temperature

「コールドフュージョン」ではない。 そのことではなく、1950年代に発表され、

fusion of the 1950s that actually does work: fusion with the help of muons!

実際に「融合」する核融合のことだ。 ミューオンによる核融合！

Nuclear fusion, of course, happens when atomic nuclei, like hydrogen nuclei , come close

核融合、もちろんそれは水素原子核などが

enough together that their strong nuclear attraction can overcome their electric

十分接近し、自身の正電荷による強い斥力を 乗り越えた先にある。

repulsion, and they fuse together into a single, bigger nucleus - like helium .

そして、より大きな原子核へと融合する。 例えばヘリウムとか。

This typically happens in a plasma, that is, a super hot soup of electrons and atomic nuclei,

核融合は典型的にはプラズマで起こる。 電子と原子核の超熱いスープ状態だ。

where if it's hot enough every once in a while two nuclei bump hard enough into each

2つの原子核が衝突できるほどの 熱さがあれば核融合が起きる。

other to fuse . But fusion can in principle happen in regular, non-plasma molecules, too

しかし、通常状態でも原理的には核融合は 起こりうる。

- like the hydrogen molecule, in which two hydrogen nuclei are kept relatively near to

水素分子のような非プラズマ分子でも、 電子を共有して比較的核同士は近い。

each other by sharing electrons . The nuclei don't stay separated a rigid distance apart,

原子核同士は離れることができないために、

though - they vibrate and wiggle and every so often, they can, in principle, get close

振動しピクつくうちに、極稀に核融合する。 原理的には。

enough to fuse together.

核融合できるほど近づけば。

But with hydrogen - or nitrogen, or oxygen, or pretty much all other molecules - this

でも水素または窒素、酸素などすべての分子において、

happens exceedingly rarely (which is why our atmosphere, which has a fair amount of molecules,

核融合が起きる確率はアホほど低い。

isn't a giant fusion bomb).

(大量に分子がある空気は巨大な水爆じゃないよね)

However, things are different if you replace the electrons with particles called muons,

しかし、電子をミューオンと呼ばれる粒子に 置換すると話は変わってくる。

which are basically exactly the same as electrons except 200 times heavier . Muons, being

ミューオンは電子より200倍重い素粒子で、

essentially heavy electrons, form atoms and molecules in almost the exact same way as

ミューオンは超重い電子と扱うと、 電子のときと同じように原子・分子を作れる。

electrons, but since they're heavier, their orbits are much closer to the nucleus than

重い電子なので、軌道は電子のときより 原子核の近くになる。

an electron with the same energy and angular momentum would be . And this means that atoms

エネルギーと角運動量を電子のときと 等しくないといけないからだ。

and molecules held together with muons instead of electrons are about 200 times smaller,

つまり、電子の代わりにミューオンにしたとき、 分子は200倍小さくなる。

and their nuclei are correspondingly about 200 times closer together.

さらに原子核同士は同様に200倍近くなるという寸法だ

And being closer together makes nuclei many many many times more likely to fuse together,

原子核同士が近づけば核融合の可能性が めちゃめちゃ上がってくる。

so much so that hydrogen molecules made with muons can fuse together at temperatures much

したがってミューオン水素分子は、

lower than the core of the sun - even room temperature!!

太陽のコアより低い温度でも核融合を起こせる。 室温だろうと！

Which was predicted in 1947 and experimentally achieved in 1956 . Physicists have even managed

これは1947年に予言され、1956年に実験的に 証明された。

to achieve muon-aided nuclear fusion at temperatures close to absolute zero.

物理学者たちは絶対零度でもミューオンを使った 核融合を成功させている。

So at this point, you're probably asking yourself: if room-temperature nuclear fusion

この時点でこう思うかもしれない。 「常温核融合ができるなら

exists, why aren't we using it to power modern civilization?

なんで発電に使っていないのだろう?」と。

Well, while muon-facilitated fusion is indeed fully legit nuclear fusion at non-crazy temperatures,

ミューオンを使った核融合は実際、 超高温じゃなくてもできる核融合だ。

there are some major problems which prevent it from being used as a power source.

でも大きな問題点が存在して、 電力源としての利用を妨げている。

First, muons don't live very long . Unlike electrons which have an in principle infinite lifespan,

1. ミューオンには寿命がある。 理論上寿命が無限の電子と異なり、

after about 2 microseconds muons spontaneously decay

2マイクロ秒後には、ミューオンは 崩壊し、

into an electron and some neutrinos, so if you're going to do anything with muons,

電子とニュートリノをいくつか出す。 ミューオンを使いたいなら、

you have to do it real quick!

すばやく使うしかない！

This turns out not to matter much for the purposes of facilitating fusion, but because

これは核融合を促進するだけなら問題にならないが、

of their short lifespan, there aren't a ton of muons around - so if you want a reliable

短寿命のせいで、大量生産が難しい。

supply of muons, you pretty much have to make them with a high energy particle accelerator

確実にミューオンを供給したいなら 高エネルギー粒子加速器を使うしかなく、

, which takes a lot of energy per muon - at best about 5 giga electron volts , or about 50

ミューオン一つあたりにすごいエネルギーが 必要になる。5eV(電子ボルト)、つまり

times the E=mc^2 mass-energy of a muon itself.

E=mc^2の式でミューオンの質量を エネルギーに換算した値の50倍が要る。

Now, luckily you don't need a muon for every single pair of hydrogen nuclei you want to

幸運にも、ミューオン一個で水素分子一個だけが 核融合できるわけではなく、

fuse, because after a pair of nuclei fuses into helium the muon can go off and help more

核融合後にできるヘリウムから ミューオンが離れて次の核融合に使える(触媒)。

nuclei fuse …and then help more… and more… and more….

核融合をお助け、お助け、お助け、みたいな感じ。

EXCEPT, every so often , the muon doesn't - it'll get stuck as part of the newly fused

しかし、稀にミューオンが核融合後の ヘリウム原子核にとらわれる事がある。

helium atom , and can't facilitate any additional fusing.

(アルファ付着という。) このせいで核融合の促進が止まってしまうのだ。

This means that each muon only helps an average of 150- fusions of nuclei before it gets stuck

このことは、ミューオンひとつあたり平均で 150回しか、核融合を手助けできないことを意味する。

. And since each fusion of nuclei releases about 18 mega electron volts of energy , this

各核融合で原子核は約18MeVの エネルギーを放出するが、

means that, after 150 fusions, each muon facilitates an average of 2700 mega electron volts, or

これを加味すると、ミューオン一個あたり 約2700MeVのエネルギー生産、

2.7 giga electron volts, of energy generation.

言い換えれば2.7GeV生産できると言える。

Which means that, unfortunately, the numbers don't add up - Remember it currently takes around

すなわち、残念ながら収支が 合わないことになってしまう。

5 GeV of energy to produce a muon, but each muon only generates about two and a half GeV

ミューオン一個を生み出すのに5GeVかかっていたのに 生み出せるエネルギーはたった2.7GeV。

of energy before getting stuck to a nucleus.

ミューオンがヘリウム原子核に捕まるまでに それだけしか稼げない。

That is, muon-facilitated fusion is a net consumer of energy (rather than being a source

結局、ミューオンを使った核融合は エネルギー生産(エネルギー源)にはなりえない。

of energy).

これが今の技術の限界で、収支を揃えるには

This is the best case possible with current technology, and the numbers are still off

2GeVほど足りない。 ミューオン触媒核融合で消費するエネルギーを

by a factor of 2 before even reaching any sort of break-even where muon-facilitated

まかなうためには、2GeVのズレを解決 する必要がある。

fusion could generate as much energy as it consumes.

さらにエネルギー生産で儲けたいなら 更にエネルギーを生み出すほかない。

And we'd need to be much better than just breaking even, energy-wise, to make a viable

ミューオン触媒核融合に残された希望は、 どのようにしてミューオンを

commercial power plant.

安くつくるか、 いかにしてアルファ付着率を下げるか、

Pretty much the only hope for muon-facilitated-fusion is to figure out how to make muons for less

もしくは付着したミューオンを剥がすか、

energy, or figure out how to have less of them stick to the helium nuclei, or how to

これは変更できないミューオンと原子核の 物理法則に縛られた難しい問題で、

unstick them once they're stuck - which are all hard problems limited by the unchangeable

我々の研究はここ70年間進展がかなり少ない。

physical properties of muons and nuclei, and so we've made quite slow progress in over

まとめると、ミューオンによる核融合は存在していて、 最高に魅力的な科学だけど、

70 years of research.

だからといってすぐには 利用できそうにないってこと。

The summary is that muon-induced fusion exists, it's fascinating science, but it's not

世界に供給できるエネルギー源について より深く知りたいなら、

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Fuel the Worldは「Physics of the everyday」 のシリーズの一つで、

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太陽光、燃料電池、核反応、ダイソン球、

Fuel the world is part of their series on the “Physics of the everyday”, and guides

哺乳類が生き残るためのエネルギーの試算などなどについて知ることができる。

you through the basics of solar power, fossil fuels, nuclear reactions, dyson spheres, and

核融合の章では太陽で何が起きているかが わかるぞ！

how much energy mammals need to survive.

「physics of the everyday」コースで

There's even a section about the fusion reactions that happen in the sun!

日用品、スポーツ、気象などなどについての 大局的知識が手に入る。

And the “physics of the everyday” course as a whole gives a great overview of the physics

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