Muon ( μ (μ - ) ) | |
---|---|
Feynman muon sönderfallsdiagram | |
En familj | fermion |
Grupp | lepton |
Generation | 2 |
Deltar i interaktioner | Svag , elektromagnetisk och gravitationell |
Antipartikel | µ + |
Vikt | 105.6583745(24) MeV [1] |
Livstid | 2.19703(4)⋅10 −6 s |
Upptäckt | Karl Andersson 1936 |
Vem eller vad är uppkallad efter | Från grekiska. bokstaven μ , som används för att beteckna) i standardmodellen för partikelfysik |
kvanttal | |
Elektrisk laddning | -ett |
baryonnummer | 0 |
Snurra | 1/2 ħ |
Isotopisk spinn | 0 |
Konstighet | 0 |
Charmen | 0 |
Övriga fastigheter | |
Quark komposition | Nej |
Förfallsschema | |
Mediafiler på Wikimedia Commons |
Muon (från den grekiska bokstaven μ , som används för beteckning) i standardmodellen för partikelfysik är en instabil elementarpartikel med negativ elektrisk laddning och spin 1⁄ 2 . Tillsammans med elektronen , tauleptonen och neutrinon klassificeras den som en del av leptonfamiljen av fermioner . Liksom dem är myonen tydligen strukturlös och består inte av några mindre partiklar. Liksom alla fundamentala fermioner har myonen en antipartikel med kvanttal (inklusive laddning) av motsatt tecken, men med lika massa och spinn: en antimuon (oftare kallas en partikel och en antipartikel för en negativ respektive positiv myon ). Muoner kallas också för muoner och antimuoner tillsammans. Nedan används termen "muon" i denna betydelse, om inte annat anges.
Av historiska skäl kallas myoner ibland för muoner , även om de inte är mesoner i moderna partikelfysiktermer. Myonens massa är cirka 207 gånger elektronens massa (206,7682830(46) gånger för att vara exakt); av denna anledning kan myonen betraktas som en extremt tung elektron. Myoner betecknas som μ − och antimuoner som μ + .
På jorden registreras myoner i kosmiska strålar; de uppstår som ett resultat av sönderfallet av laddade pioner . Pioner skapas i den övre atmosfären av kosmiska urstrålar och har en mycket kort sönderfallstid på några nanosekunder. Livslängden för myoner är ganska kort - 2,2 mikrosekunder, men denna elementarpartikel är mästaren när det gäller livslängd och endast en fri neutron sönderfaller inte längre än den . Kosmiska strålmyoner har dock hastigheter nära ljusets hastighet , så på grund av tidsutvidgningseffekten av den speciella relativitetsteorin är de lätta att upptäcka nära jordens yta, cirka 10 tusen myoner per minut faller på 1 kvadratmeter [ 2] .
Som med andra laddade leptoner finns det en myonneutrino (och antineutrino) som har samma smak som myonen (anti-myon). Muon neutrinos betecknas som ν μ , antineutrinos - ν μ . Myoner sönderfaller nästan alltid till en elektron, en elektron antineutrino och en myon neutrino (antimuoner, respektive till en positron , en elektronneutrino och en myon antineutrino); det finns också mer sällsynta typer av sönderfall, när ytterligare ett foton- eller elektron-positronpar produceras.
Muoner upptäcktes av Carl Anderson och Seth Naddermeer 1937 när de studerade kosmisk strålning [3] . De hittade partiklar som, när de passerade genom ett magnetfält , avböjdes i mindre utsträckning än elektroner, men starkare än protoner . Man antog att deras elektriska laddning var lika med elektronens och för att förklara skillnaden i avböjning var det nödvändigt att dessa partiklar hade en mellanmassa som skulle ligga mellan elektronens massa och protonens massa.
Av denna anledning döpte Anderson ursprungligen den nya partikeln till "mesotroner" [4] , med prefixet "meso" (från det grekiska ordet för "mellanliggande"). Vissa forskare kallade också denna partikel för mesonen, vilket orsakade förvirring. Dessutom gillade fransktalande forskare inte detta ord, eftersom det på franska är en homofon av en bordell [5] . Innan pi-mesonen upptäcktes ansågs muonen vara en kandidat för den starka kraftbärare som behövdes i teorin som nyligen utvecklats av Yukawa . Det visade sig dock att myonen inte deltar i starka interaktioner, och dess livslängd är hundratals gånger längre än förväntat av Yukawas teori [6] .
1941 mätte Bruno Rossi och David Hall sönderfallstiden för en myon som en funktion av dess energi och demonstrerade för första gången experimentellt Einsteins tidsutvidgning [7] .
1942 föreslog de japanska forskarna Tanikawa Yasutaka, Sakata Shoichi och Inoue Takeshi en teori som ansåg mesotroner inte som en partikel av Yukawa, utan som en produkt av dess förfall, men på grund av kriget översattes deras arbete till engelska först 1946 och var inte känt i USA förrän i slutet av 1947 [6] . Långt senare gjordes ett liknande antagande (känd som "två-mesonhypotesen") av Robert Marshak .
1947 bekräftades denna teori. De nyupptäckta partiklarna kallades pioner . Man beslutade att använda termen "meson" som ett allmänt namn för partiklar av denna klass [5] . Mesotroner kallas också mu meson (från den grekiska bokstaven "mu") [8] .
Efter tillkomsten av kvarkmodellen började partiklar bestående av en kvark och en antikvark att betraktas som mesoner. Mu-mesonen tillhörde inte dem (enligt moderna begrepp har den ingen inre struktur), så dess namn ändrades till den moderna termen "muon" [9] .
1962, i ett experiment som utfördes vid Brookhaven National Laboratory , visades det att en speciell typ av neutrino motsvarar myoner , som endast deltar i reaktioner med dem [10] .
Myonen väcker många frågor bland fysiker, eftersom dess roll i naturen inte är helt klar. Enligt Gell-Man skulle muonen vara en baby som kastades på tröskeln, vilket ingen förväntade sig [8] . Senare, 1976, separerades myonen, muonneutrinon och s-quark och c-quark i den andra generationen av elementarpartiklar . Men orsakerna till förekomsten av partiklar av olika generationer är fortfarande ett olöst problem inom fysiken .
I april 2021 konstaterade en grupp forskare från Fermilab att, enligt resultaten av Muon g-2- experimenten , stämmer inte myonens avvikande magnetiska moment med förutsägelserna av standardmodellen [11] .
Myonen upprepar elektronen i många egenskaper: den har också en laddning på -1 och ett spinn på ½ (det vill säga det är en fermion ). Tillsammans med elektronen och tau-partikeln tillhör muon familjen leptoner : dess leptonnummer är 1 och dess baryonnummer är noll. För antimyoner är värdena för alla laddningar av motsatt tecken, och de återstående egenskaperna sammanfaller med myonens egenskaper. Myonens massa är 1,883 × 10 −28 kg, eller 105,658374 MeV [12] , vilket är nästan 207 gånger större än en elektrons massa och ungefär 9 gånger mindre än en protons massa. Eftersom myonens massa upptar en mellanposition mellan elektronen och protonen, ansågs den under en tid vara en meson . Myonens livslängd är 2,1969811 mikrosekunder. För elementarpartiklar är en sådan livslängd betydande - bland instabila partiklar är det bara neutronen (och eventuellt protonen, om den sönderfaller) som har längre livslängd. Med en sådan livstid bör myonen inte färdas mer än 658 meter innan den sönderfaller.[ förtydliga ] , men för relativistiska myoner, på grund av tidsutvidgning, kan de (till exempel kosmiska strålmyoner) resa långa sträckor. Myonens magnetiska moment är 3,183345142 μ p . Det anomala magnetiska momentet för myonen är 1,16592 × 10 −3 . Dipolmomentet är noll (inom felet).
Myonen deltar i reaktionerna av alla grundläggande interaktioner, förutom den starka [13] .
Myonens sönderfall sker under påverkan av den svaga interaktionen: myonen sönderfaller till en myonneutrino och en W - -boson (virtuell), som i sin tur snabbt sönderfaller till en elektron och en elektronantineutrino. Sådant sönderfall är en av formerna av beta-sönderfall [14] . Ibland (i ungefär en procent av fallen) bildas en foton tillsammans med dessa partiklar, och i ett fall av 10 000 bildas en annan elektron och en positron [12] .
Teoretiskt sett kan en myon sönderfalla till en elektron och en foton om muonneutrinon svänger under sönderfallet , men sannolikheten för detta är extremt liten - cirka 10 −50 enligt teoretiska beräkningar [15] . Det har experimentellt fastställts att andelen av denna kanal är mindre än 5,7 × 10 −13 % [12] . Men kanske ett sådant sönderfall är mer troligt för en bunden myon som kretsar runt kärnan [16] .
Det finns också obekräftade hypoteser för förekomsten av andra exotiska myon-sönderfallskanaler, såsom sönderfall till en elektron och en majoron [17] eller till en elektron och en boson [18] .
Det vanligaste är sönderfallet av laddade pi-mesoner och K-mesoner till en myon och en myon antineutrino, ibland med bildandet av neutrala partiklar:
[19] (99 % sönderfall) [20] (64 % sönderfall) (3 % sönderfall)Dessa reaktioner är huvudkanalerna för sönderfallet av dessa partiklar. Andra laddade mesoner sönderfaller också aktivt med bildandet av myoner, även om det med en lägre sannolikhet, till exempel vid sönderfallet av en laddad D-meson , bildas en myon endast i 18 % av fallen [21] . Förfallet av pioner och kaoner är huvudkällan till myoner i kosmiska strålar och acceleratorer.
Neutrala mesoner kan sönderfalla till ett meson-antimeson-par, ofta med bildandet av en gammastråle eller en neutral pion. Sannolikheten för sådana sönderfall är dock vanligtvis mindre:
[22] (0,03 % sönderfall) [23] (0,005 % sönderfall)För tyngre mesoner ökar sannolikheten för uppkomsten av en myon - till exempel bildar D 0 -mesonen dem i 6,7 % av fallen [24] .
Baryon förfallEn myon kan bildas genom sönderfall av baryoner, men sannolikheten för denna process är vanligtvis låg. Som ett exempel kan följande reaktioner ges:
(0,03 % sönderfall) [25] (0,015 % sönderfall) [26] BosonförfallTunga neutrala bosoner sönderfaller ibland till ett myon-antimuonpar:
(3 % sönderfall) [27] [28] ,och laddade bosoner i ett myon-antineutrino-par:
(11 % sönderfall) [29] Leptonernas förfallEn tau lepton, den enda kända lepton som är tyngre än en myon, sönderfaller till en myon, en tau neutrino och en antimuon neutrino med en sannolikhet på 17 % [30] .
En viktig reaktion där myonen deltar är myonfångst. När myoner träffar ett ämne fångas de upp av atomer och sjunker gradvis till K-orbitalen med emission av fotoner. Radien för denna orbital är 200 gånger mindre än motsvarande omloppsbana för en elektron, så myonen är belägen direkt i kärnan under en avsevärd tid [31] . Därför fångas myonen snabbt av kärnan och interagerar med protonen enligt schemat:
.På kvarknivå fortsätter denna reaktion som [13]
.För lätta kärnor (Z < 30) är infångningssannolikheten proportionell mot Z 4 . För tyngre atomer blir radien för myonbanan mindre än kärnans radie, därför påverkar en ytterligare ökning av kärnan inte reaktionens intensitet.
Elektronladdningen är lika med laddningen av myonen och tau-partikeln , och i sönderfallsprodukterna från W-bosonen och Z-bosonen förekommer de med samma sannolikhet. På grund av detta kan skillnaden mellan alla reaktioner som involverar olika leptoner bara bero på skillnader i deras massa, och inte i mekanismen för förfall, och därför kan myonen i de flesta reaktioner ersätta elektronen (och vice versa). Denna funktion kallas leptonuniversalitet .
Data från LHCb -experimentet om sällsynta semileptoniska sönderfall av B-mesoner kan dock indikera att leptonuniversalitet fortfarande kan kränkas [32] [33] .
Myoner var de första elementarpartiklar som upptäcktes som inte förekom i vanliga atomer . Negativt laddade myoner kan dock bilda muoniska atomer som ersätter elektroner i vanliga atomer. Lösningen av Schrödinger-ekvationen för en väteliknande atom visar att den karakteristiska storleken på de resulterande vågfunktionerna (det vill säga Bohr-radien , om lösningen utförs för en väteatom med en bekant elektron) är omvänt proportionell mot massan av en partikel som rör sig runt atomkärnan . På grund av det faktum att myonens massa är mer än tvåhundra gånger större än elektronens massa, är storleken på den resulterande "myonorbitalen " lika mycket mindre än den analoga elektronen [31] . Som ett resultat, även för kärnor med ett laddningsnummer Z = 5-10, jämförs dimensionerna av myonmolnet med storleken på kärnan eller överskrider den med högst en storleksordning, och den icke-punktiga naturen hos kärnan börjar starkt påverka formen på muonvågfunktionerna. Som en konsekvens gör studiet av deras energispektrum (med andra ord, absorptionslinjerna för en muonatom) det möjligt att "titta" in i kärnan och studera dess inre struktur.
En positiv myon i vanlig materia kan binda en elektron och bilda ett muonium (Mu), en atom där muonen blir en kärna [34] . Den reducerade massan av muonium och följaktligen dess Bohr-radie är nära motsvarande värde för väte , så denna kortlivade atom, i den första approximationen, beter sig i kemiska reaktioner som en ultralätt isotop av väte.
Bremsstrahlungsintensiteten är omvänt proportionell mot kvadraten på partikelmassan, så för en myon, som är 207 gånger tyngre än en elektron, är strålningsförlusterna försumbara. Å andra sidan deltar myonen, till skillnad från hadroner, inte i stark interaktion, så den dominerande kanalen för energiförlust när den passerar genom ett lager av materia är joniseringsförluster upp till energier på 10 11 −10 12 eV, och därför, i denna region är myonens penetrerande kraft proportionell mot dess energi. Vid höga energier börjar bremsstrahlung, liksom förluster på grund av splittringen av atomkärnor , spela en viktig roll, och den linjära tillväxten avstannar [35] .
På grund av dessa egenskaper har högenergimyoner en mycket större penetreringskraft jämfört med både elektroner och hadroner. Myoner som genereras av kollisioner av kosmiska strålpartiklar med atomer i de övre lagren av atmosfären registreras även på flera kilometers djup [35] .
Långsamma myoner kan stanna helt i materia och uppfattas av atomer som elektroner.
För att beräkna den fria vägen för en myon i ett ämne används ett sådant värde som den genomsnittliga energiförlusten för passagen av en centimeter av banan i ett ämne med en densitet på 1 g/cm 3 . Vid energier upp till 10 12 MeV förlorar myonen cirka 2 MeV per g/cm 2 spännvidd [36] . I intervallet från 10 12 till 10 13 eV är dessa förluster stora och kan beräknas ungefär med formeln
MeV, var är den initiala myonenergin i MeV [37] .Således kan man se att en högenergimyon kan färdas kilometer i vatten, och till och med hundratals meter i järn.
Den största svårigheten som hindrar konstruktionen av generatorer baserade på termonukleär fusion är de höga temperaturer till vilka väteplasman måste värmas upp så att kärnorna kan övervinna Coulomb-barriären och närma sig det avstånd från vilket kärnkrafterna börjar verka .
Ett system som består av en proton och en myon, det vill säga meshydrogen, har dimensioner hundratals gånger mindre än en väteatom, och samtidigt skyddar mesonen fullständigt laddningen av kärnan. Således beter meshydrogen som en stor neutron och kan penetrera andra atomers elektronskal . På grund av detta kan vätekärnor närma sig på tillräckligt avstånd för att en kärnfusionsreaktion ska inträffa mellan dem. Efter reaktionen har myonen en stor chans att bryta sig loss från den bildade kärnan och ansluta sig till en annan, upprepa hela cykeln och därmed fungera som en katalysator för processen.
När det gäller DT-reaktioner (deuterium-tritium) fortskrider processen enligt följande: mesodeuterium och tritium bildar en mesomolecule. Det genomsnittliga avståndet mellan kärnorna räcker inte för att starta reaktionen, men eftersom atomerna vid det ögonblick som de närmast närmar sig svänger runt jämviktspositionen, blir avståndet mellan dem tillräckligt för att kärnorna ska gå igenom Coulomb -barriären . Beräkningar visar att den genomsnittliga termonukleära reaktionstiden är sex storleksordningar kortare än myonens livslängd. Men i genomsnitt kan en myon inte katalysera en miljon reaktioner, utan bara cirka 100-150. Detta beror på det faktum att efter bildandet av en helium-4 kärna och en neutron har myonen en chans på cirka 1 % att "fastna" till helium och stoppa dess ytterligare katalytiska aktivitet. Denna process kallas för att "förgifta" katalysatorn .
Energin som frigörs i 100 DT-reaktioner är lika med 2000 MeV , vilket, även om det är mycket mer än 100 MeV (energin som spenderas på bildningen av en myon), men på grund av höga tillhörande förluster, förblir processen energimässigt ogynnsam.
Ett sätt att öka energiutbytet är att använda flödet av neutroner som produceras under fusion för att bestråla uranfilten, vilket kommer att få uranet att klyvas eller förvandla det till plutonium [38] .
Tack vare kosmiska strålar faller en ström av myoner ständigt på jorden - i genomsnitt faller en partikel per minut på en kvadratcentimeter av jordens yta [39] . Om du sätter myondetektorer ovanför och under något föremål kan du dra slutsatser om dess inre struktur från skillnaden i myonintensitet. Muontomografi skiljer sig från mer konventionell radiografi i flera viktiga parametrar [40] :
Den största nackdelen med denna teknik är att det kan ta lång tid att få en kontrastbild (dagar eller till och med veckor), eftersom den naturliga myonbakgrunden är låg.
1967-1968 undersöktes en del av Khafre-pyramiden med denna metod för att söka efter hemliga rum (de hittades inte).
En modernare variant av denna teknik, myonspridningstomografi, fångar inte bara absorptionen av myoner, utan även deras spridning, som förekommer mycket oftare. För att göra detta måste varje detektor, som står ovanför och under objektet, fixera myonens bana. Ju större atommassa ett ämne har, desto mer avleder det myoner, så denna metod kan effektivt detektera tungmetaller som uran, som kan användas för att bekämpa kärnsmuggling [41] .
Det finns förslag på konstruktion av en myon- och antimyonkollider som skulle kunna ersätta elektron-positronkolliderar [42] . På grund av sin låga massa förlorar elektroner en betydande del av sin energi till synkrotronstrålning (detta gäller särskilt i ringkolliderar), så konstruktionen av elektron-positronkolliderar med energier över 100 GeV är omotiverad. Muoner, som är tunga leptoner, har inte detta problem, vilket skulle tillåta kollisionsenergier på flera TeV att nås. Dessutom, eftersom muoner har en stor massa, är tvärsnittet för produktion av Higgs-bosoner i muonkolliderar större än i elektron-positronkolliderar. Detta skulle göra det möjligt för Higgs-bosonerna att studeras med stor precision. Det tekniska genomförandet av sådana projekt är emellertid svårt på grund av myonernas korta livslängd och svårigheten att få en intensiv myonstråle på denna mycket korta tid.
För att observera atmosfäriska, helosfäriska och magnetosfäriska fenomen används ett myonhodoskop , som tar emot ett muonogram som registrerar intensiteten av ankomsten av myoner som genereras av kosmiska strålar från olika riktningar. [43]
Partiklar i fysiken | |||||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
grundläggande partiklar |
| ||||||||||||
Kompositpartiklar _ |
| ||||||||||||