Мюо́нный ката́лиз ядерных реакций синтеза (англ. muon catalyzed fusion, MCFusion, MCF), или просто мюонный катализ — процесс, облегчающий слияние ядер, например, изотопов водорода, происходящий при участии отрицательно заряжённых мюонов. Реакция синтеза проходит при относительно низкой температуре в отличие от классического термоядерного синтеза. В настоящее время не может быть использована в термоядерном синтезе, так как невыгодна из-за высоких энергетических затрат на получение мюонов, за исключением варианта с использованием природных мюонов, сконцентрированных на мишени с помощью крупномасштабного магнитного разомкнутого контура на базе существующих инженерных конструкций из ферромагнитного материала (стали) большой протяженности, (например, главный рельсовый ход ТрансСиба).
Сущность процесса состоит в следующем: отрицательно заряженный мюон (нестабильная частица с временем жизни τμ=2,2⋅10−6 с и массой mμ=206,769 me), попадая в смесь изотопов водорода, образует там мезоатомы — атомы, в которых электрон заменён мюоном, — атомы протон-мюон (Н-μ), дейтрон-мюон (D-μ) и тритон-мюон (T-μ), которые, сталкиваясь затем с молекулами Н2, D2 и Т2 (а также с молекулами HD, НТ и DT), образуют мезомолекулы НН-μ, HD-μ, HT-μ, DD-μ, DT-μ и TT-μ (или, точнее, мезомолекулярные ионы (HH-μ)+, (HD-μ)+ и т. д.).
Поскольку мюон примерно в 207 раз тяжелее электрона, то размеры мезомолекул во столько же раз меньше размеров молекулярных ионов H2+, HD+ и т. д., в которых ядра удалены друг от друга в среднем на расстояние в две атомные единицы ~2a0 = 2h2/mee2 ≈ 10−10 м. В мезомолекулах ядра удалены на расстояние примерно в две мезоатомных единицы ~2aμ = 2h2/mμe2 ≈ 5⋅10−13 м, причем такое сближение происходит при обычных температурах. На такое же расстояние сближаются ядра изотопов водорода при кинетической энергии ~3 кэВ, что соответствует ~30 миллионам градусов, которая сравнима с температурой, достигнутой в современных экспериментальных высокотемпературных термоядерных установках.
После образования мезомолекул DDμ, DTμ и TTμ чрезвычайно быстро, за время τ порядка 10−9…10−12 с, происходит слияние их ядер за счет сильного взаимодействия в реакциях:
В мезомолекулах с протоном HDµ и HTµ скорость слияния ядер малая (время жизни до слияния ~106 с−1) в таких реакциях:
Поскольку эти реакции в мезомолекулах идут в присутствии мюона µ−, то для каждой из них возможны три исхода, а именно, мюон может или освободиться, или же образовать мезоатом гелия или распасться. Свободный мюон может катализировать следующую реакцию синтеза, а мюон, захваченный ядром гелия (альфа-частицей) — нет, также, происходят распады мюонов на электроны и антинейтрино, время жизни мюона около 2,2 мкс.