11.3.1 Мюоны и их получение:

Мюоны —  частицы, хорошо изученные как в природных условиях (атмосфера), так и в лабораторных экспериментах на ускорителях. При бомбардировке протонами мишеней из углерода или бериллия сначала рождаются отрицательные пи-мезоны, которые затем распадаются в отрицательные мюоны.

Формирование мезоатомов и мезомолекул

Когда мюон попадает в водородную среду, содержащую атомы дейтерия и трития, он захватывается одним из атомов, образуя мезоатом — атом, где электрон заменён мюоном. Из-за компактного размера мезоатом легко проникает в ядра других атомов создавая связанные состояния — мезомолекулы.

Мезомолекулярные соединения формируются резонансным образом: при подходящих условиях ядра сливаются, и это возможно при температурах, значительно ниже классического термоядерного синтеза.

Это явление впервые обнаружил в 1957 году лауреат Нобелевской премии Луис Альварес в пузырьковой водородной камере. Изначально данный процесс недооценивался, но впоследствии получил название мюонного катализа — эффективного механизма слияния ядер при участии отрицательно заряженных мюонов.

Ограничения мюонного катализа

Несмотря на перспективность, мюонный катализ в настоящее время не применяется в термоядерной энергетике из-за высокой стоимости генерации мюонов и ограниченного времени их жизни (~2,2 микросекунды).

11.3.2 Электроны, мюонные мезоны и структура ядра в ПЭМ:

Протон содержит внутри позитрона массивную гамма-частицу («керн»), окружённую восьмью мюонными мезонами, образующими жёсткую структуру, закрепленную дефектом заряда.

Нейтрон формируется как структура, где протон находится внутри электрона. Заряд электрона не проникает в керн, а электрон, стремясь сохранить свою собственную структуру (подобно капле воды — явление, сходное с поверхностным натяжением), пытается вытолкнуть керн, который удерживается позитроном. Для перехода протона и электрона в нейтрон необходима энергия порядка 0,7823311 МэВ — энергия на преодоление отталкивания электрона керном; образование виртуального фотона — следствие этого процесса.

В ПЭМ все орбитальные электроны захвачены ядрами и преобразованы в мюонные мезоны. Электрон проникает в протон до керна на расстояние около 1,053 фм (радиус электрона 0,833 фм + радиус керна 0,25 фм). Фактическое расстояние может быть немного меньше за счет деформации края электрона. В результате внутри электрона оказывается по 4 мюонных мезона.

11.3.3 Сущность процесса мюонного катализа:

Отрицательно заряженный мюон (время жизни ~2,2×10⁻⁶ с, масса ~206,77 масс электрона) образует в смеси изотопов водорода мезоатомы: протон-мюон (Н-μ), дейтрон-мюон (D-μ), тритон-мюон (T-μ).

Такие мезоатомы сталкиваются с молекулами H₂, D₂, T₂ и смешанными HD, HT, DT, формируя мезомолекулы и мезомолекулярные ионы типа НН-μ, HD-μ, HT-μ и др.

Пятый, внешний мюон, присоединяясь к мюонным мезонам протона, способствует дополнительному сближению атомов вплоть до фемтометровых масштабов, облегчая формирование нуклонных связей и инициацию ядерного синтеза.

После синтеза новых ядер структура восстанавливает зарядовую нейтральность, и пятый мюон покидает комплекс, оставляя место для новых катализаторских циклов.

11.3.4  Ядерные реакции в мезомолекулах и роль мюона:

Ядерные реакции в мезомолекулах проходят с мюоном µ⁻, который может:

Освободиться и продолжить катализ,

Образовать мезоатом трития (с продолжением катализаторского цикла),

Образовать мезоатом гелия (цикл прекращается),

Распасться (цикл прекращается).

Ограничения на количество реакций на один мюон задаются коэффициентом прилипания мюона к гелию и временем жизни. В наиболее интересной смеси дейтерия и трития мюон прилипает к гелию менее чем в 0,5% случаев.

Экспериментальные данные показывают, что один мюон способен катализировать порядка 150 реакционных циклов.

11.3.5  Физика процесса сближения ядер и роль мюонных мезонов в ПЭМ:

В протоне и нейтроне все мюонные мезоны плотно «прижаты» к керну — они практически неподвижны относительно него.

Появление дополнительного мюона характеризуется не только отрицательным электрическим зарядом, но и магнитным зарядом (соответствует магнитному моменту в стандартной модели), условно обозначаемому как полюс «север».

Когда мюон вытесняет обычный электрон, магнитные свойства атомов меняются, что приводит к их сближению на расстояния, характерные для ядерных реакций.

Особенности мезомолекул в рамках ПЭМ:

Электронейтральность — мезомолекулы сохраняют зарядовую нейтральность, что способствует их стабильности.

Сближение ядер — расстояния между ядрами в мезомолекулах приближаются к масштабу мезоатомного радиуса (~10⁻¹¹ см). 

Повышенная вероятность слияния ядер — благодаря уменьшению кулоновского барьера, реакции слияния в мезомолекулах проходят с заметно большей вероятностью, чем при обычных условиях, где для этого необходимы высокие энергии (например, термоядерные реакции).

Каталитическое действие отрицательных мюонов — отрицательные мюоны активируют реакции синтеза лёгких ядер, которые в стандартных условиях требуют больших энергий.

11.3.6 Заключение: 

ПЭМ предлагает альтернативный взгляд на причины неудач в термоядерной энергетике. С точки зрения ПЭМ, основные проблемы связаны с недостаточным пониманием структуры ядра и процессов слияния, а также с отсутствием эффективных методов управления внутренней структурой ядер. Для достижения управляемого термоядерного синтеза необходимо проводить фундаментальные исследования структуры ядра с учетом наличия в нем позитронов, кернов и мюонных мезонов, а также разрабатывать новые методы управления плазмой и возбуждения ядер, основанные на резонансном воздействии на внутреннюю структуру ядра.