Мюон

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Перейти до: навігація, пошук
мюон
Склад: елементарна частинка
Родина: ферміон
Група: лептон
Покоління: друге
взаємодії: електромагнітна, гравітаційна, слабка
Частинка: мюон
Античастинка: антимюон
Відкрита: Карл Андерсон 1936
Символ: μ-
Маса: 105.658369(9) МеВ
Час життя: 2.197029(4) × 10-6 с
Розпадається на:
Електричний заряд: -1
Спін: 1/2

Мюо́н (від грецької букви μ, що використовується для позначення) (рос. мюон, англ. muon, heavy electron, mu meson, нім. Myon n) — в стандартній моделі фізики елементарних частинок — нестійка елементарна частинка з негативним електричним зарядом і спіном 1/2. Разом з електроном, тау-лептоном і нейтрино класифікується як частина лептонного сімейства ферміонів. Як і всі фундаментальні частинки, мюон має античастинку із зарядом протилежного знаку, але з рівною масою і спіном: антимюон.

Із історичних причин, мюони іноді згадуються як мю-мезони, хоча вони не є мезонами в сучасному представленні фізики елементарних частинок. Маса мюона в 207 разів більша від маси електрона; з цієї причини мюон можна розглядати як надзвичайно важкий електрон. Мюони позначаються як μ-, а антимюони як μ+.

На Землі мюони реєструються в космічному промінні, вони виникають в результаті розпаду заряджених піонів. Піони утворюються у верхніх шарах атмосфери первинними космічними променями і мають дуже короткий час розпаду — декілька наносекунд. Час життя мюонів теж малий — 2,2 мікросекунди. Проте мюони космічного проміння мають швидкості, близькі до швидкості світла, так що через ефект уповільнення часу спеціальної теорії відносності їх легко детектувати біля поверхні Землі.

Як і у випадку інших заряджених лептонів, існує мюонне нейтрино, яке пов'язане з мюоном. Мюонні нейтрино позначаються як νμ. Мюони майже завжди розпадаються на електрон, електронне антинейтрино і мюонне нейтрино; існують також рідкісніші типи розпаду, коли виникає додатковий фотон або електрон-позитронна пара.

Фейнманівска діаграма розпаду мюона

Історія[ред.ред. код]

Мюони було відкрито Карлом Андерсоном в 1936 році, під час дослідження космічного випромінювання. Він детектував частинки, які при проходженні через магнітне поле відхилялися у меншій мірі, ніж електрони, але різкіше, ніж протони. Було зроблено припущення, що їхній електричний заряд дорівнює заряду електрона, і для пояснення відмінності у відхиленні було необхідно, щоб ці частинки мали проміжну масу (що лежить десь між масою електрона і масою протона).

З цієї причини Андерсон спочатку назвав нову частинку «мезотрон», використовуючи приставку «мезо-» (від грецького слова «проміжний»). Незабаром після цього були виявлені інші частинки проміжної маси і був прийнятий загальніший термін мезон для позначення будь-якої такої частинки. У зв'язку з необхідністю різних позначень для різних типів мезонів мезотрон було перейменовано в «мю-мезон» (від грецької букви «мю»). До того, як було відкрито пі-мезон, мюон вважався кандидатом на роль переносника сильної взаємодії, який був необхідний в теорії, що незадовго до того була розроблена Юкавою. Проте, виявилося, що мюон не вступає в сильні взаємодії, і якийсь час (до відкриття пі-мезона) ця поведінка мюона залишалася загадкою.

Незабаром виявилося, що мю-мезон значно відрізняється від інших мезонів (наприклад, його продукти розпаду включали нейтрино і антинейтрино, а не тільки або одне, або інше, що спостерігалося для інших мезонів). Таким чином мю-мезони не були мезонами взагалі, і термін «мю-мезон» було замінено сучасним терміном «мюон».

У середині 1970-х років, фізики-експериментатори, що працюють в ЦЕРНі, досліджували розсіяння нейтрино на протонній мішені. Згідно з тим, що було тоді відомо про слабку взаємодію, очікувалось, що зіткнення перетворить нейтрино на мюон, а протон в осколки. Вони зі здивуванням виявили, що в результаті такого зіткнення з'являються два мюони — негативний і позитивний.

Це викликало велику теоретичну дискусію, яка завершилася поясненням того, як з'являється позитивний мюон. Зіткнення нейтрино і протона продукує не тільки протонні осколки і негативний мюон, але і зачарований c-кварк, який незабаром розпадається на s-кварк, мюонне нейтрино і позитивний мюон.

Взаємодія з іншими частинками[ред.ред. код]

Мюон приймає участь у реакціх за допомогою всіх фундаментальних взаємодій, окрім сильної.[1]

Розпад мюона[ред.ред. код]

Розпад мюона відбувається під дією слабкої взаємодії: мюон розпадається на мюонне нейтрино і W--бозон (віртуальний), що в свою чергу швидко розпадається на електрон і електронне антинейтріно. Такий розпад є однією з форм бета-розпаду.[2]. Іноді (приблизно в одному відсотку випадків) разом з цими частинками утворюється фотон, а в одному випадку з 10000 — ще один електрон і позитрон.[3]

Теоретично, мюон може розпастися на електрон і фотон, якщо під час розпаду мюонне нейтрино осцилює, проте ймоврність цього вкрай мала — порядка 10-50 за теоретичними розрахунками.[4] Експерементально встановлено, що доля цього каналу менша за 5.7×10-13%.[3] Втім, можливо такий розпад є більш ймовірним для зв’язанного мюона, що обертається навколо ядра[5].

Також є гіпотези існування інших екзотичних каналів розпаду мюона, таких як розпад на електрон і майорон[6], або на електрон і бозон [7]

Утворення мюона[ред.ред. код]

Розпад мезонів[ред.ред. код]

Найбільш звичним є розпад заряженого пі-мезонів і K-мезонів на мюон і мюонне антинейтрино, іноді з утворенням нейтральних частинок:

[8](99% розпадів)
[9](64% розпадів)
(3% розпадів)

Ці реакції є основними каналами розпаду цих частинок. Інші заряджені мезони також активно розпадаються з утворенням мюонів, хоча і з меншою інтенсивністю, наприклад, при розпаді D-мезона мюон утворюється лише в 18% випадків. [10] Розпад піонів і каонів є основним джерелом мюонів в космічних променях і прискорювачах.

Нейтральні мезони можуть розпадатися на пару мезон-антимезон, нерідко з утворенням гамма-кванту або нейтрального піона. Проте ймовірність таких розпадів, зазвичай, менша:

[11] (0,03% розпадів)
[12](0,005% розпадів)

Для більш важких мезонів ймовірність появи мюона збільшується — наприклад, D0-мезон утворює їх в 6,7% випадків[13]

Розпад баріонів[ред.ред. код]

Мюон може утворюватися при розпаді баріонів, проте ймовірність цього зазвичай є низькою. Як приклад можна навести такі реакції як:

(0,03% розпадів)[14]
(0,02% розпадів)[15]

Розпад бозонів[ред.ред. код]

Важкі нейтральні бозони іноді розпадаються на мюон-антимюонну пару:

(3% розпадів)[16]
[17]

А заряджені мезони, на пару мюон-антинейтріно:

(11% розпадів)[18]

Розпад лептонів[ред.ред. код]

Тау-частинка, єлиний відомий лептон, що важчий за мюон, з ймовірність в 17% розпадається на мюон, тау-нейтрино і антимюонне нейтрино.[19]

Інші реакції[ред.ред. код]

Важливою реакцією, в якій бере участь мюон є мюонне захоплення. При потраплянні мюонів в речовину, вони захоплюються атомами, і поступово опускаються на К-орбіталь, випромінюючи фотони. На цій орбіталі мюон може захоплюватись ядром, взаємодіючи з протоном за схемою:

.

На кварковому рівні ця реакція проходить як:

.[1]

Для легких ядер (Z<30) вірогідність захоплення пропорційна Z4. Для більш важких атомів радіус орбіти мезону стає меншим за радіус ядра, тому подальше збільшення ядра не впливає на інтенсивність реакції.

μ-e універсальність[ред.ред. код]

Заряд електрона рівний заряду мюона і тау-частинки, а в продуктах розпаду W-бозона і Z-бозона вони зустрічаються з однаковою ймовірністю. Через це, різниця між будь-якими реакціями з участю різних лептонів може бути викликана лише різницями в їх масі, а не в механізмі розпаду, а тому в більшості реакцій мюон може заміняти електрон і навпаки. Ця особливість назиається лептонною універсальністю.

Втім, дані експерименту LHCb щодо рідкісних напівлептонних розпадів B-мезонів можуть свідчити ро те, що лептонна універсальність все ж таки може порушуватися.[20]

Мюонні атоми[ред.ред. код]

Мюони були першими відкритими елементарними частинками, які не зустрічалися в звичайних атомах. Негативні мюони можуть, проте, формувати мюонні атоми, замінюючи електрони в звичайних атомах. Розв'язок рівняння Шредінгера для воднеподібного атома показує, що характерний розмір одержуваних хвильових функцій (тобто радіус Бора, якщо розв'язок проводиться для атома водню зі звичним електроном) обернено пропорційний масі частинки, що рухається навколо атомного ядра. Внаслідок того, що маса мюона більш ніж у двісті разів перевершує масу електрона, розмір одержуваної «мюонної орбіталі» в стільки ж разів менший від аналогічної електронної. У результаті, вже для ядер із зарядовим числом Z = 5-10 розміри мюонної хмари порівнянні або не більше ніж на порядок перевершують розміри ядра і неточковість ядра починає сильно впливати на вигляд хвильових функцій мюона. Як наслідок, вивчення їх енергетичного спектру (інакше кажучи, ліній поглинання мюонного атома) дозволяє «заглянути» в ядро і дослідити його внутрішню структуру.

Позитивний мюон, зупинений у звичайній матерії, може зв'язати електрон і сформувати мюоній (Mu) — атом, в якому мюон діє як ядро. Зведена маса мюонію і, отже, його Борівській радіус близькі до відповідних величин для водню, і, отже, цей короткоживучий атом у першому наближенні поводиться в хімічних реакціях як надлегкий ізотоп водню.

Проникна здатність[ред.ред. код]

Інтенсивність гальмівного випромінювання обернено пропорційна квадрату маси частинки що рухається, тому для мюона, що в 207 разів важчий за електрон втрати на нього є нехтуваними. З іншого боку, мюон, навідміну від адронів, не бере участь в сильній взаємодії, а тому домінуючим каналом втрати енергії при проходженні через шар речовини є втрати на іонізацію аж до енергій 1011-1012 еВ, а тому, у цій області проникна здатність мюона пропорційна енергії. На більших енергіях гальмівне випромінювання, а також втрати на розщеплення атомних ядер починають відігравати більшу роль, і лінійне зростання зупиняється. [1]

Через свої властивості, мюони високих енергій мають значно більшу проникну здатність у порівнянні як з електронами, так і з адронами. Мюони, породжені зіткненнями частинок з космічних променів з атомами верхніх шарів атмосфери, реєструються навіть на глибині кількох кілометрів. [1]

Повільні мюони можуть повністю зупинятись в речовині і захоплюватись атомами як електрони.

Для обчислення вільного пробігу мюона в речовині використовують таку величину як середні втрати енергії на за проліт одного сантиметра шляху у речовині густиною 1 г/см3. При енергії до 1012 МеВ ці мюон втрачає приблизно 2 МеВ на г/см2 прольоту[21]. В діапазоні від 1012 до 1013 еВ ці втрати є більшими, і можуть бути наближено обраховані за формулою

МеВ, де — початкова енергія мюона в МеВ.[22]

Таким чином можна бачити, що у воді високоенергетичний мюон може пролетіти кілометри, і навіть в залізі — сотні метрів.

Використання[ред.ред. код]

Мюонний каталіз[ред.ред. код]

Основною складністю, що заважає будувати генератори на базі ядерного синтезу є високі температури, до яких повинна бути підігріта воднева плазма, щоб ядра могли подолати кулонівський бар’єр, і наблизитись на відстань, на якій почнуть діяти ядерні сили.

Система з протону і мюону, тобто, мезоводень, має розміри в сотні разів менші за атом, і при цьому мезон повністю екранує заряд ядра. Таким чином, мезоводень поводить себе як великий нейтрон і може проникати через електронні оболонки інших атомів. Завдяки цьому, ядра водню можуть наближатися на відстані, достатні для того, щоб між ними відбулася реакція ядерного синтезу. Після реакції, мюон має великий шанс відірватися від утворенного ядра, і приєднатися до іншого, повторюючи весь цикл, слугуючи, таким чином, каталізатором процесу.

У випадку реакцій D-T, процес проходить наступним чином: мезодейтерій і тритій утворюють мезомолекулу. Середня відстань між ядрами є недостатньою для початку реакції, проте, оскільки атоми коливаються навколо положення рівноваги, у момент найбільшого зближення, відстань між ними стає достатньою для того, щоб ядра тунелювали через кулонівський бар’єр. Розрахунки показують, що середній час термоядерної реакції на шість порядків менший за час життя мюона. Проте в середньому один мюон може каталізувати не мільйон реакцій, а лише порядка 100-150. Це пов’язано з тим, що після утворення ядра гелію-4 і нейтрона, мюон має шанс приблизно в 1% "прилипнути" до гелію, і припинити свою подальшу каталітичну діяльність. Цей процес називають "отруєнням" каталізатора.

Енергія, що виділяється за 100 D-T реакцій дорівнює 2000 МеВ, що, хоча й значно більша за 100 Мев (енергія, що витрачається на утворення мюона), через високі супутні витрати, поцес лишається енергетично невигідним.

Одним зі способів збільшити енергетичний вихід є використання потоку нейтронів що утворюються при синтезі, для опромінення уранового бланкету, що буде спричиняти поділ ядра урану, або перетворення його у плутоній.[23]

Мюонна томографія[ред.ред. код]

Завдяки космічним променям, на Землю постійно падає потік мюонів — в середньому, на один квадратний сантиметр земної поверхні падає одна частинка за хвилину[24]. Якщо поставити мюонні детектори над і під деяким об’єктом, можна за різницею інтенсивності мюонів зробити висновки щодо його внутрішньої структури. Від більш звичної рентгенографії, мюонна томографія відрізняється кількома важливими параметрами:[25]

  • Мюони поглинаються значно слабше за гамма-промені, тому з їх допомогою можна "просвічувати" великі кількасотметрові тверді об’єкти, або достатньо товсті шари металу.
  • Мюонна томографія — пасивний метод аналізу. Він використовує лише природній мюонний фон, а отже не несе ніякої додаткової небезпеки для здоров’я.

Головний мінус цієї методики полягає в тому, що контрастне зображення може потребувати багато часу, дні або тижні, через те, що природній мюонний фон є невисоким.

У 1967-1968 роках частина піраміди Хефрена була досліджена таким чином, з метою пошуку потаємних кімнат (їх не було знайдено).

Більш сучасна варіація цієї методики, мюонна розсіююча томографія, фіксує не лише поглинання мюонів, а й їх розсіювання, яке відбувається значно частіше. Дя цього кожен детектор, що стоїть над і під об’єктом, повинен фіксувати його траекторію. Чим більша атомна масса речовини, тим сильніше вона відхиляє мюони, тому цей метод дозволяє ефективно виявляти важкі метали, такі як уран, що використовується для боротьби з ядерною контрабандою.[26]

Джерела[ред.ред. код]

  • Давидов О. С. Квантова механіка. — К. : Академперіодика, 2012. — 706 с.

Примітки[ред.ред. код]