Muon ( μ ( μ - ) ) | |
---|---|
Feynman myon henfaldsdiagram | |
En familie | fermion |
Gruppe | lepton |
Generation | 2 |
Deltager i interaktioner | Svag , elektromagnetisk og gravitationel |
Antipartikel | µ + |
Vægt | 105.6583745(24) MeV [1] |
Livstid | 2.19703(4)⋅10 −6 s |
Opdaget | Karl Anderson i 1936 |
Hvem eller hvad er opkaldt efter | Fra græsk. bogstavet μ , der bruges til at betegne) i standardmodellen for partikelfysik |
kvantetal | |
Elektrisk ladning | -en |
baryon nummer | 0 |
Spin | 1/2 ħ |
Isotopisk spin | 0 |
Mærkelighed | 0 |
charmen | 0 |
Andre ejendomme | |
Quark sammensætning | Ingen |
Forfaldsordning | |
Mediefiler på Wikimedia Commons |
Muon (fra det græske bogstav μ , brugt til betegnelse) i partikelfysikkens standardmodel er en ustabil elementarpartikel med en negativ elektrisk ladning og spin 1 ⁄ 2 . Sammen med elektronen , tauleptonen og neutrinoen er den klassificeret som en del af leptonfamilien af fermioner . Ligesom dem er myonen tilsyneladende strukturløs og består ikke af mindre partikler. Som alle fundamentale fermioner har myonen en antipartikel med kvantetal ( inkl ). Muoner kaldes også muoner og antimuoner sammen. Nedenfor er udtrykket "muon" brugt i denne betydning, medmindre andet er angivet.
Af historiske årsager kaldes muoner nogle gange for muoner , selvom de ikke er mesoner i moderne partikelfysik. Myonens masse er omkring 207 gange elektronens masse (206,7682830(46) gange for at være nøjagtig); af denne grund kan myonen betragtes som en ekstrem tung elektron. Muoner betegnes som μ − og antimuoner som μ + .
På Jorden registreres myoner i kosmiske stråler; de opstår som følge af henfaldet af ladede pioner . Pioner skabes i den øvre atmosfære af primordiale kosmiske stråler og har en meget kort henfaldstid på nogle få nanosekunder. Levetiden for myoner er ret kort - 2,2 mikrosekunder, men denne elementære partikel er mesteren med hensyn til levetid, og kun en fri neutron henfalder ikke længere end den . Kosmiske strålemuoner har dog hastigheder tæt på lysets hastighed , så på grund af tidsudvidelseseffekten af den specielle relativitetsteori er de nemme at opdage nær Jordens overflade, omkring 10 tusinde myoner pr. minut falder på 1 kvadratmeter [ 2] .
Som med andre ladede leptoner er der en myon neutrino (og antineutrino), der har samme smag som myonen (anti-myon). Muon neutrinoer er betegnet som ν μ , antineutrinoer - ν μ . Myoner henfalder næsten altid til en elektron, en elektron-antineutrino og en myon-neutrino (henholdsvis antimuoner til en positron , en elektronneutrino og en myon-antineutrino); der er også sjældnere typer henfald, når der produceres et ekstra foton- eller elektron-positron-par.
Muoner blev opdaget af Carl Anderson og Seth Naddermeer i 1937 , mens de studerede kosmisk stråling [3] . De fandt partikler, der, når de passerede gennem et magnetfelt , blev afbøjet i mindre grad end elektroner, men stærkere end protoner . Det blev antaget, at deres elektriske ladning var lig med elektronens, og for at forklare forskellen i afbøjning var det nødvendigt, at disse partikler havde en mellemmasse, der ville ligge mellem elektronens masse og protonens masse.
Af denne grund kaldte Anderson oprindeligt den nye partikel "mesotroner" [4] , ved at bruge præfikset "meso" (fra det græske ord for "mellemliggende"). Nogle forskere kaldte også denne partikel for mesonen, hvilket forårsagede forvirring. Derudover kunne fransktalende lærde ikke lide dette ord, da det på fransk er en homofon af et bordel [5] . Før pi-mesonen blev opdaget , blev muonen betragtet som en kandidat til den stærke kraftbærer, der var nødvendig i teorien, der for nylig blev udviklet af Yukawa . Det viste sig dog, at myonen ikke deltager i stærke interaktioner, og dens levetid er hundredvis af gange længere end forventet af Yukawas teori [6] .
I 1941 målte Bruno Rossi og David Hall henfaldstiden for en myon som funktion af dens energi og demonstrerede for første gang eksperimentelt Einsteins tidsudvidelse [7] .
I 1942 foreslog de japanske videnskabsmænd Tanikawa Yasutaka, Sakata Shoichi og Inoue Takeshi en teori, der betragtede mesotroner ikke som en partikel af Yukawa, men som et produkt af dets forfald, men på grund af krigen blev deres arbejde først oversat til engelsk i 1946 og var ikke kendt i USA indtil slutningen af 1947 [6] . Meget senere blev en lignende antagelse (kendt som "to-meson-hypotesen") lavet af Robert Marshak .
I 1947 blev denne teori bekræftet. De nyopdagede partikler blev kaldt pioner . Det blev besluttet at bruge udtrykket "meson" som en generel betegnelse for partikler af denne klasse [5] . Mesotroner kaldes også mu meson (fra det græske bogstav "mu") [8] .
Efter fremkomsten af kvarkmodellen begyndte partikler bestående af en kvark og en antikvark at blive betragtet som mesoner. Mu-mesonen tilhørte ikke dem (ifølge moderne begreber har den ingen indre struktur), så dens navn blev ændret til det moderne udtryk "muon" [9] .
I 1962, i et eksperiment udført på Brookhaven National Laboratory , blev det vist, at en særlig type neutrino svarer til myoner , der kun deltager i reaktioner med dem [10] .
Myonen rejser mange spørgsmål blandt fysikere, da dens rolle i naturen ikke er helt klar. Ifølge Gell-Man ville myonen være en baby smidt på tærsklen, hvilket ingen forventede [8] . Senere, i 1976, blev myonen, muonneutrinoen og s-quark og c-quark adskilt i anden generation af elementarpartikler . Årsagerne til eksistensen af partikler fra forskellige generationer er dog stadig et uløst problem i fysikken .
I april 2021 udtalte en gruppe videnskabsmænd fra Fermilab , at ifølge resultaterne af Muon g-2- eksperimenterne stemmer muonens unormale magnetiske moment ikke overens med forudsigelserne fra standardmodellen [11] .
Myonen gentager elektronen i mange karakteristika: den har også en ladning på -1 og et spin på ½ (det vil sige, det er en fermion ). Sammen med elektronen og tau-partiklen tilhører muonen leptonfamilien : dens leptontal er 1, og baryontallet er nul. For antimyoner er værdierne af alle ladninger af det modsatte fortegn, og de resterende egenskaber falder sammen med myonens egenskaber. Myonens masse er 1,883 × 10 −28 kg, eller 105,658374 MeV [12] , hvilket er næsten 207 gange større end en elektrons masse og cirka 9 gange mindre end en protons masse. Da massen af myonen indtager en mellemposition mellem elektronen og protonen, blev den i nogen tid betragtet som en meson . Muonens levetid er 2,1969811 mikrosekunder. For elementarpartikler er en sådan levetid betydelig - blandt ustabile partikler er det kun neutronen (og muligvis protonen, hvis den henfalder) der har længere levetid. Med sådan en levetid bør myonen ikke rejse mere end 658 meter, før den forfalder.[ klargør ] for relativistiske myoner kan de på grund af tidsudvidelse (for eksempel kosmiske stråle-myoner) rejse lange afstande. Myonens magnetiske moment er 3,183345142 μ p . Det unormale magnetiske moment for myonen er 1,16592 × 10 −3 . Dipolmomentet er nul (inden for fejlen).
Myonen deltager i reaktionerne af alle fundamentale interaktioner, undtagen den stærke [13] .
Nedbrydningen af myonen sker under påvirkning af den svage interaktion: myonen henfalder til en myonneutrino og en W - -boson (virtuel), som igen hurtigt henfalder til en elektron og en elektronantineutrino. Et sådant henfald er en af formerne for beta-henfald [14] . Nogle gange (i cirka én procent af tilfældene) dannes en foton sammen med disse partikler, og i et tilfælde ud af 10.000 dannes en anden elektron og en positron [12] .
Teoretisk set kan en myon henfalde til en elektron og en foton, hvis muon-neutrinoen oscillerer under henfaldet , men sandsynligheden for dette er ekstremt lille - omkring 10 -50 ifølge teoretiske beregninger [15] . Det er eksperimentelt blevet fastslået, at andelen af denne kanal er mindre end 5,7 × 10-13 % [ 12] . Men måske et sådant henfald er mere sandsynligt for en bundet myon, der kredser omkring kernen [16] .
Der er også ubekræftede hypoteser for eksistensen af andre eksotiske myon-henfaldskanaler, såsom henfald til en elektron og en majoron [17] eller til en elektron og en boson [18] .
Det mest almindelige er henfaldet af ladede pi-mesoner og K-mesoner til en myon og en muon antineutrino, nogle gange med dannelsen af neutrale partikler:
[19] (99 % henfald) [20] (64 % henfald) (3 % henfald)Disse reaktioner er hovedkanalerne for henfaldet af disse partikler. Andre ladede mesoner henfalder også aktivt med dannelsen af myoner, selvom der med en lavere sandsynlighed, for eksempel ved henfaldet af en ladet D-meson , kun dannes en myon i 18 % af tilfældene [21] . Nedbrydningen af pioner og kaoner er hovedkilden til myoner i kosmiske stråler og acceleratorer.
Neutrale mesoner kan henfalde til et meson-antimeson-par, ofte med dannelsen af en gammastråle eller en neutral pion. Imidlertid er sandsynligheden for sådanne henfald normalt mindre:
[22] (0,03 % henfald) [23] (0,005 % henfald)For tungere mesoner øges sandsynligheden for fremkomsten af en myon - for eksempel danner D 0 -mesonen dem i 6,7 % af tilfældene [24] .
Baryon forfaldEn myon kan dannes ved henfald af baryoner, men sandsynligheden for denne proces er normalt lav. Som et eksempel kan følgende reaktioner gives:
(0,03 % henfald) [25] (0,015 % henfald) [26] Boson henfaldTunge neutrale bosoner henfalder nogle gange til et muon-antimuon-par:
(3 % henfald) [27] [28] ,og ladede bosoner til et muon-antineutrino-par:
(11 % henfald) [29] Leptonernes henfaldEn tau lepton, den eneste kendte lepton, der er tungere end en myon, henfalder til en myon, en tau neutrino og en antimuon neutrino med en sandsynlighed på 17 % [30] .
En vigtig reaktion, som myonen deltager i, er myonfangst. Når myoner rammer et stof, fanges de af atomer og falder gradvist ned til K-orbitalen med udsendelse af fotoner. Radius af denne orbital er 200 gange mindre end den tilsvarende orbital for en elektron, så myonen er placeret direkte i kernen i længere tid [31] . Derfor fanges myonen hurtigt af kernen og interagerer med protonen i henhold til skemaet:
.På kvarkniveau forløber denne reaktion som [13]
.For lette kerner (Z < 30) er indfangningssandsynligheden proportional med Z 4 . For tungere atomer bliver muonbanens radius mindre end kernens radius; derfor påvirker en yderligere stigning i kernen ikke reaktionens intensitet.
Elektronladningen er lig med ladningen af myonen og tau-partiklen , og i henfaldsprodukterne af W-boson og Z-boson forekommer de med samme sandsynlighed. På grund af dette kan forskellen mellem enhver reaktion, der involverer forskellige leptoner , kun skyldes forskelle i deres masse og ikke i henfaldsmekanismen, og derfor kan myonen i de fleste reaktioner erstatte elektronen (og omvendt). Denne funktion kaldes lepton-universalitet .
Dataene fra LHCb- eksperimentet om sjældne semileptoniske henfald af B-mesoner kan dog indikere, at lepton-universaliteten stadig kan være krænket [32] [33] .
Muoner var de første elementarpartikler, der blev opdaget , og som ikke fandtes i almindelige atomer . Negativt ladede myoner kan dog danne muoniske atomer, der erstatter elektroner i almindelige atomer. Løsningen af Schrödinger -ligningen for et brintlignende atom viser, at den karakteristiske størrelse af de resulterende bølgefunktioner (det vil sige Bohr-radius , hvis opløsningen udføres for et brintatom med en kendt elektron) er omvendt proportional med massen af en partikel, der bevæger sig rundt om atomkernen . På grund af det faktum, at myonens masse er mere end to hundrede gange større end elektronens masse, er størrelsen af den resulterende "muonorbital " lige så meget mindre end den analoge elektron [31] . Som et resultat, selv for kerner med et ladningstal Z = 5-10, sammenlignes dimensionerne af myonskyen med størrelsen af kernen eller overskrider den med ikke mere end en størrelsesorden, og den ikke-punktlige natur af kernen begynder at påvirke formen af muonbølgefunktionerne kraftigt. Som en konsekvens heraf gør studiet af deres energispektrum (med andre ord absorptionslinjerne for et muonatom) det muligt at "se" ind i kernen og studere dens indre struktur.
En positiv myon i almindeligt stof kan binde en elektron og danne et muonium (Mu), et atom, hvori muonen bliver en kerne [34] . Den reducerede masse af muonium og følgelig dets Bohr-radius er tæt på den tilsvarende værdi for brint , så dette kortlivede atom opfører sig i den første tilnærmelse i kemiske reaktioner som en ultralet isotop af brint.
Bremsstrahlung-intensiteten er omvendt proportional med kvadratet af partikelmassen, så for en myon, som er 207 gange tungere end en elektron, er strålingstabene ubetydelige. På den anden side deltager myonen, i modsætning til hadroner , ikke i stærk interaktion , så den dominerende kanal for energitab, når den passerer gennem et stoflag, er ioniseringstab op til energier på 10 11 −10 12 eV, og derfor i denne region er myonens gennemtrængende kraft proportional med dens energi. Ved høje energier begynder bremsstrahlung, såvel som tab som følge af spaltning af atomkerner , at spille en vigtig rolle, og den lineære vækst stopper [35] .
På grund af disse egenskaber har højenergi-muoner en meget større penetreringskraft sammenlignet med både elektroner og hadroner. Myoner genereret af kollisioner af kosmiske strålepartikler med atomer i de øverste lag af atmosfæren registreres selv i flere kilometers dybde [35] .
Langsomme myoner kan stoppe helt i stoffet og opfattes af atomer som elektroner.
For at beregne den frie vej for en myon i et stof, bruges en sådan værdi som det gennemsnitlige energitab for passagen af en centimeter af banen i et stof med en densitet på 1 g/cm 3 . Ved energier op til 10 12 MeV mister myonen omkring 2 MeV pr. g/cm 2 spændvidde [36] . I intervallet fra 10 12 til 10 13 eV er disse tab store og kan tilnærmelsesvis beregnes ved formlen
MeV, hvor er den indledende myonenergi i MeV [37] .Det kan således ses, at en højenergi muon kan rejse kilometer i vand, og endda hundredvis af meter i jern.
Den største vanskelighed , der hindrer konstruktionen af generatorer baseret på termonuklear fusion , er de høje temperaturer , som brintplasmaet skal opvarmes til , så kernerne kan overvinde Coulomb - barrieren og nærme sig den afstand , hvor kernekræfterne begynder at virke .
Et system bestående af en proton og en myon, det vil sige meshydrogen, har dimensioner hundredvis af gange mindre end et brintatom, og samtidig skærmer mesonen fuldstændigt for ladningen af kernen. Meshydrogen opfører sig således som en stor neutron og kan trænge ind i andre atomers elektronskaller . På grund af dette kan brintkerner nærme sig i tilstrækkelige afstande til, at en nuklear fusionsreaktion kan forekomme mellem dem. Efter reaktionen har myonen en stor chance for at bryde væk fra den dannede kerne og slutte sig til en anden, gentage hele cyklussen og dermed tjene som en katalysator for processen.
I tilfælde af DT (deuterium-tritium)-reaktioner forløber processen som følger: mesodeuterium og tritium danner et mesommolekyle. Den gennemsnitlige afstand mellem kernerne er ikke nok til at starte reaktionen, men da atomerne i det øjeblik, de nærmer sig, svinger rundt om ligevægtspositionen, bliver afstanden mellem dem tilstrækkelig til, at kernerne kan tunnelere gennem Coulomb-barrieren . Beregninger viser, at den gennemsnitlige termonukleære reaktionstid er seks størrelsesordener kortere end myonens levetid. I gennemsnit kan en myon dog ikke katalysere en million reaktioner, men kun omkring 100-150. Dette skyldes det faktum, at myonen efter dannelsen af en helium-4- kerne og en neutron har en chance på cirka 1 % for at "klæbe" til helium og stoppe dens yderligere katalytiske aktivitet. Denne proces omtales som "forgiftning" af katalysatoren .
Den energi, der frigives i 100 DT-reaktioner, er lig med 2000 MeV , hvilket, selv om det er meget mere end 100 MeV (den energi, der bruges på dannelsen af en myon), men på grund af høje associerede tab, forbliver processen energetisk ugunstig.
En måde at øge energiudbyttet på er at bruge fluxen af neutroner produceret under fusion til at bestråle uraniumtæppet, hvilket vil få uranen til at spalte eller omdanne den til plutonium [38] .
Takket være kosmiske stråler falder der konstant en strøm af myoner på Jorden - i gennemsnit falder en partikel i minuttet på en kvadratcentimeter af jordens overflade [39] . Hvis du sætter myondetektorer over og under et objekt, kan du drage konklusioner om dets indre struktur ud fra forskellen i myonintensitet. Muon-tomografi adskiller sig fra mere konventionel radiografi på flere vigtige parametre [40] :
Den største ulempe ved denne teknik er, at opnåelse af et kontrastbillede kan tage lang tid (dage eller endda uger), fordi den naturlige myonbaggrund er lav.
I 1967-1968 blev en del af Khafre-pyramiden undersøgt ved hjælp af denne metode for at søge efter hemmelige rum (de blev ikke fundet).
En mere moderne variation af denne teknik, myonspredningstomografi, fanger ikke kun absorptionen af myoner, men også deres spredning, som forekommer meget hyppigere. For at gøre dette skal hver detektor, som står over og under objektet, fiksere myonens bane. Jo større atommasse et stof har, jo mere afbøjer det myoner, så denne metode kan effektivt detektere tungmetaller som uran, som kan bruges til at bekæmpe atomsmugling [41] .
Der er forslag til konstruktion af en myon- og antimyon- kolliderer , der kan erstatte elektron-positron-kollidere [42] . På grund af deres lave masse mister elektroner en betydelig del af deres energi til synkrotronstråling (dette gælder især i ringkolliderer), så konstruktionen af elektron-positronkollidere med energier over 100 GeV er uberettiget. Muoner, som er tunge leptoner, har ikke dette problem, hvilket ville gøre det muligt at nå kollisionsenergier på adskillige TeV. Da muoner har en stor masse, er tværsnittet for produktionen af Higgs-bosoner i muon-kollidere større end i elektron-positron-kollidere. Dette ville gøre det muligt at studere Higgs-bosonerne med stor præcision. Den tekniske implementering af sådanne projekter er imidlertid vanskelig på grund af den korte levetid for myoner og vanskeligheden ved at opnå en intens myonstråle på denne meget korte tid.
For at observere atmosfæriske, helosfæriske og magnetosfæriske fænomener bruges et myonhodoskop , som modtager et muonogram, der registrerer intensiteten af ankomsten af myoner genereret af kosmiske stråler fra forskellige retninger. [43]
Partikler i fysik | |||||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
fundamentale partikler |
| ||||||||||||
Sammensatte partikler |
| ||||||||||||