müon ( μ ( μ − ) ) | |
---|---|
| |
Egy család | fermion |
Csoport | lepton |
Generáció | 2 |
Részt vesz az interakciókban | Gyenge , elektromágneses és gravitációs |
Antirészecske | µ + |
Súly | 105.6583745(24) MeV [1] |
Élettartam | 2.19703(4)⋅10 −6 s |
Felfedezve | Karl Anderson 1936 - ban |
Kiről vagy miről nevezték el | Görögből . a μ betű , jelölésére használt) a részecskefizika standard modelljében |
kvantumszámok | |
Elektromos töltés | -egy |
barionszám | 0 |
Spin | 1/2 ħ |
Izotópos spin | 0 |
Furcsaság | 0 |
a varázsa | 0 |
Egyéb tulajdonságok | |
Kvark összetétele | Nem |
Bomlási séma | |
Médiafájlok a Wikimedia Commons oldalon |
A müon (a görög μ betűből származik , jelölésre használt) a részecskefizika standard modelljében egy instabil elemi részecske , negatív elektromos töltéssel és 1⁄ 2 spinnel . Az elektronnal , a tau leptonnal és a neutrínóval együtt a lepton fermionok családjába tartozik . Hozzájuk hasonlóan a müon is látszólag szerkezet nélküli, és nem áll kisebb részecskékből. Mint minden alapvető fermionnak, a müonnak is van ellentétes előjelű, de azonos tömegű és spinű kvantumszámú antirészecskéje (a töltést is beleértve): egy antimuon (gyakrabban egy részecskét negatív és egy antirészecskét negatív és pozitív müonnak neveznek). ). A müonokat együtt müonoknak és antimuonoknak is nevezik. Az alábbiakban a „müon” kifejezést ebben az értelemben használjuk, hacsak másképp nem jelezzük.
Történelmi okokból a müonokat néha müonoknak is nevezik , bár a modern részecskefizikai értelemben nem mezonok . A müon tömege körülbelül 207-szerese az elektron tömegének (pontosabban 206,7682830(46)-szorosa); emiatt a müon rendkívül nehéz elektronnak tekinthető. A müonokat μ − , az antimuonokat pedig μ + -ként jelöljük .
A Földön a müonokat a kozmikus sugarak regisztrálják; a töltött pionok bomlása következtében keletkeznek . A pionokat a felső légkörben az őskozmikus sugarak hozzák létre, és nagyon rövid, néhány nanomásodperces bomlási idejük van. A müonok élettartama meglehetősen rövid - 2,2 mikroszekundum, de élettartamát tekintve ez az elemi részecske a bajnok, és csak egy szabad neutron nem bomlik le nála tovább . A kozmikus sugárzás müonjai azonban közel fénysebességgel rendelkeznek , így a speciális relativitáselmélet idődilatációs hatása miatt könnyen észlelhetők a Föld felszíne közelében, percenként körülbelül 10 ezer müon esik 1 négyzetméterre [ 2] .
Más töltött leptonokhoz hasonlóan létezik egy müonneutrínó (és antineutrínó), amelynek íze megegyezik a müonéval (anti-müon). A müonneutrínók jelölése ν μ , antineutrínók - ν μ . A müonok szinte mindig elektronná, elektron-antineutrínóvá és müon-neutrínóvá bomlanak (az antimuonok rendre pozitronná , elektronneutrínóvá és müon-antineutrínóvá); Vannak ritkább bomlási típusok is, amikor további foton vagy elektron-pozitron pár keletkezik.
A müonokat Carl Anderson és Seth Naddermeer fedezte fel 1937- ben a kozmikus sugárzás tanulmányozása közben [3] . Olyan részecskéket találtak, amelyek a mágneses mezőn áthaladva kisebb mértékben elhajlottak, mint az elektronok, de erősebben, mint a protonok . Feltételezték, hogy elektromos töltésük megegyezik az elektronéval, és az elhajlás különbségének magyarázatához szükséges volt, hogy ezeknek a részecskéknek legyen egy köztes tömege, amely az elektron tömege és a proton tömege között helyezkedik el.
Emiatt Anderson eredetileg "mezotronoknak" [4] nevezte el az új részecskét , a "mezo" előtaggal (a görög "köztes" szóból). Egyes tudósok ezt a részecskét mezonnak nevezték, ami zavart okozott. Ráadásul a francia nyelvű tudósok nem szerették ezt a szót, mivel franciául egy bordély homofonja [ 5] . A pi mezon felfedezése előtt a müont az erős erőhordozó jelöltjének tekintették, amelyre a Yukawa által nemrégiben kidolgozott elmélet szerint szükség volt . Kiderült azonban, hogy a müon nem vesz részt erős kölcsönhatásokban, élettartama pedig több százszor hosszabb a Yukawa elmélete által vártnál [6] .
1941-ben Bruno Rossi és David Hall megmérték egy müon bomlási idejét az energiája függvényében, és először kísérletileg demonstrálták az Einstein-féle idődilatációt [7] .
1942-ben Tanikawa Yasutaka, Sakata Shoichi és Inoue Takeshi japán tudósok olyan elméletet javasoltak, amely a mezotronokat nem a Yukawa részecskéjének, hanem bomlási termékének tekintette, de a háború miatt munkájukat csak 1946-ban fordították le angolra. nem volt ismert az Egyesült Államokban.1947 végéig [6] . Jóval később egy hasonló feltevés (amit a "két mezon hipotézis" néven ismert) Robert Marshak fogalmazott meg .
1947-ben ez az elmélet beigazolódott. Az újonnan felfedezett részecskéket pionoknak nevezték . Úgy döntöttek, hogy a "mezon" kifejezést használják az ebbe az osztályba tartozó részecskék általános neveként [5] . A mezotronokat mu mezonnak is nevezik (a görög "mu" betűből) [8] .
A kvark modell megjelenése után a kvarkból és antikvarkból álló részecskéket kezdték mezonoknak tekinteni. A mu-mezon nem tartozott hozzájuk (a modern fogalmak szerint nincs belső szerkezete), ezért a neve a modern "muon" kifejezésre változott [9] .
1962-ben a Brookhaven National Laboratory -ban végzett kísérletben kimutatták, hogy a müonoknak egy speciális neutrínótípus felel meg , amely csak a velük való reakciókban vesz részt [10] .
A müon sok kérdést vet fel a fizikusok körében, mivel a természetben betöltött szerepe nem teljesen világos. Gell-Man szerint a müon egy küszöbre dobott baba lenne, amire senki sem számított [8] . Később, 1976-ban a müont, a müonneutrínót, valamint az s-kvarkot és a c-kvarkot szétválasztották az elemi részecskék második generációjára . A különböző generációjú részecskék létezésének okai azonban még mindig megoldatlan fizikális probléma .
2021 áprilisában a Fermilab tudósainak egy csoportja kijelentette, hogy a Muon g-2 kísérletek eredményei szerint a müon anomális mágneses momentuma nem egyezik a Standard Modell előrejelzéseivel [11] .
A müon számos jellemzőben megismétli az elektront: töltése -1 és spinje is ½ (azaz fermion ). A müon az elektronnal és a tau részecskével együtt a leptonok családjába tartozik : leptonszáma 1, barionszáma nulla. Az antimuonok esetében az összes töltés értéke ellentétes előjelű, és a fennmaradó jellemzők egybeesnek a müon jellemzőivel. A müon tömege 1,883 × 10 -28 kg, vagyis 105,658374 MeV [12] , ami majdnem 207-szer nagyobb, mint egy elektron tömege, és körülbelül 9-szer kisebb, mint a proton tömege. Mivel a müon tömege közbenső helyet foglal el az elektron és a proton között, egy ideig mezonnak tekintették . A müon élettartama 2,1969811 mikroszekundum. Az elemi részecskék esetében ez az élettartam jelentős - az instabil részecskék közül csak a neutron (és esetleg a proton, ha bomlik) élettartama hosszabb. Ilyen élettartam mellett a müonnak legfeljebb 658 métert kell megtennie a bomlás előtt.[ pontosítás ] , azonban a relativisztikus müonok az idődilatáció miatt (például a kozmikus sugárzás müonjai) nagy távolságokat képesek megtenni. A müon mágneses momentuma 3,183345142 μ p . A müon anomális mágneses momentuma 1,16592 × 10 -3 . A dipólusmomentum nulla (a hibán belül).
A müon minden alapvető kölcsönhatásban részt vesz, kivéve az erős kölcsönhatást [13] .
A müon bomlása a gyenge kölcsönhatás hatására megy végbe: a müon müonneutrínóvá és W - -bozonná (virtuális) bomlik, ami viszont gyorsan elektronná és elektron antineutrínóvá bomlik. Az ilyen bomlás a béta-bomlás egyik formája [14] . Néha (az esetek körülbelül egy százalékában) ezekkel a részecskékkel együtt foton képződik, és 10 000-ből egy esetben újabb elektron és pozitron jön létre [12] .
Elméletileg egy müon elektronra és fotonra bomlik, ha a müonneutrínó a bomlás során oszcillál , de ennek a valószínűsége rendkívül kicsi - az elméleti számítások szerint körülbelül 10-50 [15] . Kísérletileg megállapították, hogy ennek a csatornának a részesedése kisebb, mint 5,7 × 10 −13 % [12] . Azonban talán egy ilyen bomlás valószínűbb az atommag körül keringő kötött müon esetében [16] .
Vannak még meg nem erősített hipotézisek más egzotikus müon-bomlási csatornák létezésére vonatkozóan is, mint például a bomlás elektronná és majoronná [17] vagy elektronná és bozonná [18] .
A leggyakoribb a töltött pi-mezonok és K-mezonok bomlása müonná és müon-antineutrínóvá, néha semleges részecskék képződésével:
[19] (99%-os bomlás) [20] (64%-os bomlás) (3%-os bomlás)Ezek a reakciók a részecskék bomlásának fő csatornái. Más töltött mezonok is aktívan bomlanak müonok képződésével, bár kisebb valószínűséggel, például egy töltött D-mezon bomlásakor müon csak az esetek 18%-ában jön létre [21] . A pionok és kaonok bomlása a müonok fő forrása a kozmikus sugarakban és a gyorsítókban.
A semleges mezonok mezon-antitimeson párba bomlhatnak, gyakran gamma-sugárzás vagy semleges pion képződésével. Az ilyen bomlás valószínűsége azonban általában kisebb:
[22] (0,03%-os csökkenés) [23] (0,005%-os csökkenés)A nehezebb mezonok esetében megnő a müon megjelenésének valószínűsége – például a D 0 -mezon az esetek 6,7%-ában alkotja őket [24] .
Barion bomlásBarionok bomlásával müon keletkezhet, de ennek a folyamatnak a valószínűsége általában kicsi. Példaként a következő reakciók adhatók meg:
(0,03%-os bomlás) [25] (0,015%-os bomlás) [26] Bozon bomlásA nehéz semleges bozonok néha müon-antimuon párrá bomlanak:
(3%-os bomlás) [27] [28] ,és töltött bozonok müon-antineutrínó párba:
(11%-os bomlás) [29] A leptonok bomlásaA tau lepton, az egyetlen ismert lepton, amely nehezebb a müonnál, 17%-os valószínűséggel müonná, tau-neutrínóvá és antimún-neutrínóvá bomlik [30] .
Egy fontos reakció, amelyben a müon részt vesz, a müonbefogás. Amikor a müonok eltalálnak egy anyagot, az atomok befogják őket, és fotonok kibocsátásával fokozatosan leereszkednek a K-pályára. Ennek a pályának a sugara 200-szor kisebb, mint egy elektron megfelelő pályája, így a müon jelentős ideig közvetlenül az atommagban helyezkedik el [31] . Ezért a müont az atommag gyorsan elfogja, és kölcsönhatásba lép a protonnal a séma szerint:
.Kvark szinten ez a reakció a következőképpen megy végbe [13]
.Könnyű magok (Z < 30) esetén a befogási valószínűség arányos Z 4 -gyel . A nehezebb atomok esetében a müonpálya sugara kisebb lesz, mint az atommag sugara, ezért az atommag további növekedése nem befolyásolja a reakció intenzitását.
Az elektrontöltés megegyezik a müon és a tau részecske töltésével , és a W-bozon és Z-bozon bomlástermékeiben azonos valószínűséggel fordulnak elő. Emiatt a különböző leptonokat érintő reakciók közötti különbség csak a tömegük eltéréséből adódhat, nem pedig a bomlási mechanizmusban, ezért a legtöbb reakcióban a müon helyettesítheti az elektront (és fordítva). Ezt a tulajdonságot lepton univerzalitásnak nevezik .
A B-mezonok ritka szemileptonikus bomlásaira vonatkozó LHCb kísérlet adatai azonban arra utalhatnak, hogy a lepton univerzalitás továbbra is sérülhet [32] [33] .
A müonok voltak az első olyan elemi részecskék , amelyeket felfedeztek , amelyek nem fordulnak elő közönséges atomokban . A negatív töltésű müonok azonban müonatomokat képezhetnek, helyettesítve az elektronokat a közönséges atomokban. A Schrödinger -egyenlet hidrogénszerű atomra vonatkozó megoldása azt mutatja, hogy a kapott hullámfüggvények karakterisztikus mérete (vagyis a Bohr-sugár , ha a megoldást egy ismert elektronnal rendelkező hidrogénatomra hajtjuk végre) fordítottan arányos a az atommag körül mozgó részecske tömege . Tekintettel arra, hogy a müon tömege több mint kétszázszor nagyobb, mint az elektron tömege, az így létrejövő „müonpálya ” mérete sokkal kisebb, mint az analóg elektroné [31] . Ennek eredményeként még a Z = 5-10 töltésszámú atommagok esetében is a müonfelhő méreteit összehasonlítják a mag méretével, vagy legfeljebb egy nagyságrenddel haladják meg azt, és a müonfelhő nem pontszerű jellege. az atommag erőteljesen kezdi befolyásolni a müonhullámfüggvények alakját. Következésképpen energiaspektrumuk (más szóval a müonatom abszorpciós vonalainak) tanulmányozása lehetővé teszi a magba „betekintést” és annak belső szerkezetének tanulmányozását.
Egy pozitív müon közönséges anyagban megköthet egy elektront, és müóniumot (Mu) képezhet, egy atomot, amelyben a müon atommaggá válik [34] . A müónium redukált tömege és ennek következtében Bohr-sugara közel van a hidrogén megfelelő értékéhez , így ez a rövid élettartamú atom az első közelítésben úgy viselkedik a kémiai reakciókban, mint a hidrogén ultrakönnyű izotópja.
A bremsstrahlung intenzitás fordítottan arányos a részecske tömegének négyzetével, így egy müonnál, amely 207-szer nehezebb az elektronnál, a sugárzási veszteségek elhanyagolhatóak. Másrészt a müon a hadronokkal ellentétben nem vesz részt erős kölcsönhatásban , így az anyagrétegen való áthaladás során az energiaveszteség domináns csatornája a 10 11 -10 12 eV energiáig terjedő ionizációs veszteségek . Ezen a területen a müon áthatoló ereje arányos az energiájával. Nagy energiáknál a bremsstrahlung, valamint az atommagok hasadásából adódó veszteségek kezdenek fontos szerepet játszani, és a lineáris növekedés leáll [35] .
Ezeknek a tulajdonságoknak köszönhetően a nagyenergiájú müonok sokkal nagyobb áthatolóerővel rendelkeznek mind az elektronokhoz, mind a hadronokhoz képest. A kozmikus sugárzás részecskéinek és a légkör felső rétegeinek atomjainak ütközésekor keletkező müonokat még több kilométeres mélységben is rögzítik [35] .
A lassú müonok teljesen megállhatnak az anyagban, és az atomok elektronként érzékelhetik őket.
Az anyagban lévő müon szabad útjának kiszámításához ezt az értéket az 1 g/cm 3 sűrűségű anyagban az út egy centiméteres áthaladásának átlagos energiaveszteségeként használjuk . 10 12 MeV energiáig a müon körülbelül 2 MeV-ot veszít g/cm 2 tartományonként [36] . A 10 12 és 10 13 eV közötti tartományban ezek a veszteségek nagyok, és megközelítőleg kiszámíthatók a képlettel
MeV, ahol a müon kezdeti energiája MeV-ben [37] .Így látható, hogy egy nagy energiájú müon vízben kilométereket, vasban akár több száz métert is képes megtenni.
A termonukleáris fúzión alapuló generátorok megépítését akadályozó fő nehézség az a magas hőmérséklet, amelyre a hidrogénplazmát fel kell melegíteni, hogy az atommagok leküzdhessék a Coulomb-gátat, és megközelíthessék azt a távolságot, amelynél a nukleáris erők elkezdenek hatni .
A protonból és egy müonból, azaz a mehidrogénből álló rendszer méretei több százszor kisebbek, mint egy hidrogénatom, ugyanakkor a mezon teljesen védi az atommag töltését. Így a mezhidrogén úgy viselkedik, mint egy nagy neutron , és áthatolhat más atomok elektronhéján . Emiatt a hidrogénatommagok olyan távolságra közeledhetnek, amely elegendő ahhoz, hogy magfúziós reakció lejátszódjon közöttük. A reakció után a müonnak nagy esélye van arra, hogy elszakadjon a kialakult magtól és csatlakozzon egy másikhoz, megismételve a teljes ciklust, és így katalizátorként szolgáljon a folyamathoz.
A DT (deutérium-trícium) reakciók esetében a folyamat a következőképpen zajlik: a mezodeutérium és a trícium egy mezomolekulát alkot. Az atommagok közötti átlagos távolság azonban nem elegendő a reakció elindításához, azonban mivel az atomok a legközelebbi közeledés pillanatában az egyensúlyi helyzet körül oszcillálnak, a köztük lévő távolság elegendő ahhoz, hogy az atommagok áthaladjanak a Coulomb-gáton . A számítások azt mutatják, hogy az átlagos termonukleáris reakcióidő hat nagyságrenddel rövidebb, mint a müon élettartama. Átlagosan azonban egy müon nem millió reakciót képes katalizálni, hanem csak körülbelül 100-150-et. Ez annak köszönhető, hogy a hélium-4 atommag és egy neutron kialakulása után a müonnak megközelítőleg 1% az esélye, hogy a héliumhoz „ragadjon”, és leállítsa további katalitikus tevékenységét. Ezt a folyamatot a katalizátor "mérgezésének" nevezik .
A 100 DT reakció során felszabaduló energia 2000 MeV , ami ugyan jóval több, mint 100 MeV (a müon képződésére fordított energia), de a nagy kapcsolódó veszteségek miatt a folyamat energetikailag kedvezőtlen marad.
Az energiahozam növelésének egyik módja a fúzió során keletkező neutronok fluxusának felhasználása az urántakaró besugárzására, ami az urán hasadását vagy plutóniummá alakítását okozza [38] .
A kozmikus sugaraknak köszönhetően folyamatosan müonfolyam zuhan a Földre – átlagosan percenként egy részecske esik a földfelszín egy négyzetcentiméterére [39] . Ha müondetektorokat helyezünk el valamilyen objektum fölé és alá, akkor a müonintenzitás különbségéből következtetéseket vonhatunk le a belső szerkezetére. A müontomográfia számos fontos paraméterben különbözik a hagyományos radiográfiától [40] :
Ennek a technikának a fő hátránya, hogy a kontrasztos kép elkészítése hosszú időt (napokat vagy akár heteket) is igénybe vehet, mivel a természetes müonháttér alacsony.
1967-1968- ban Khafre piramisának egy részét ezzel a módszerrel vizsgálták, hogy titkos szobákat keressenek (nem találták).
Ennek a technikának egy modernebb változata, a müonszórás-tomográfia nemcsak a müonok abszorpcióját rögzíti, hanem a sokkal gyakrabban előforduló szóródását is. Ehhez minden detektornak, amely az objektum felett és alatt áll, rögzítenie kell a müon pályáját. Minél nagyobb egy anyag atomtömege, annál jobban eltéríti a müonokat, így ezzel a módszerrel hatékonyan lehet kimutatni a nehézfémeket, például az uránt, amivel fel lehet lépni a nukleáris csempészet ellen [41] .
Vannak javaslatok egy müon és antimuon ütköztető felépítésére , amelyek helyettesíthetik az elektron-pozitron ütköztetőket [42] . Az elektronok kis tömegük miatt energiájuk jelentős részét elveszítik a szinkrotronsugárzás hatására (ez különösen igaz a gyűrűütköztetőkre), így 100 GeV feletti energiájú elektron-pozitron ütköztetők építése indokolatlan. A müonoknak, mivel nehéz leptonoknak nincs ilyen problémájuk, ami több TeV ütközési energiák elérését tenné lehetővé. Ezen túlmenően, mivel a müonok tömege nagy, a müonütköztetőkben a Higgs-bozonok előállításának keresztmetszete nagyobb, mint az elektron-pozitron ütköztetőkben. Ez lehetővé tenné a Higgs-bozonok nagy pontosságú tanulmányozását. Az ilyen projektek technikai megvalósítása azonban nehézkes a müonok rövid élettartama miatt, és nehézkes intenzív müonnyalábot előállítani e nagyon rövid idő alatt.
A légköri, heloszférikus és magnetoszférikus jelenségek megfigyelésére müonhodoszkópot használnak , amely müonogramot kap, amely rögzíti a különböző irányokból származó kozmikus sugarak által generált müonok érkezésének intenzitását. [43]
Részecskék a fizikában | |||||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
alapvető részecskék |
| ||||||||||||
Kompozit részecskék |
| ||||||||||||