Мюон

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.

Мюо́н (від грецької букви μ, що використовується для позначення) — 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 знака, 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 більше 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 космічнми 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 знайти біля поверхні Землі.

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

Фейнманівска діаграма розпаду мюона

[ред.] Мюонні атоми

Мюони були першими відкритими елементарними частинками, які не зустрічалися в звичайних атомах. Негативні мюони можуть, проте, формувати мюонні атоми, замінюючи електрони в звичайних атомах. Рішення рівняння Шредінгера для воднеподібного атома показує, що характерний розмір одержуваних хвильових функцій (тобто радіус Бору, якщо рішення проводиться для атома водню зі звичним електроном) обернено пропорційний масі частинки, що рухається навколо атомного ядра. Внаслідок того, що маса мюона більш ніж в двісті разів перевершує масу електрона, розмір одержуваної «мюонної орбіталі» в стільки ж разів менший аналогічної електронної. В результаті, вже для ядер з числом заряду 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 в звичайній матерії, може зв'язати електрон і сформувати мюоній (Mu) — атом, в якому мюон діє як ядро. Приведена маса мюонію і, отже, його Борівській радіус близькі до відповідних величин для водню, і, отже, цей короткоживучий атом в першому наближенні поводиться в хімічних реакціях як надлегкий ізотоп водню.

[ред.] Історія

Мюони було знайдено Карлом Андерсоном в 1936 році, під час дослідження космічного випромінення. Він знайшов частинки, які при проходженні через магнітне поле відхилялися у меншій мірі, ніж електрони, але різче, ніж протони. Було зроблено припущення, що їх 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 знайдені 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 було знайдено, 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».

В середині 1970-х років, фізики-експериментатори, що працюють в ЦЕРНі, досліджували розсіяння нейтрино на протонній мішені. Згідно тому, що було тоді відомо про слабку взаємодію, очікувалось, що зіткнення перетворить нейтрино на мюон, а протон в осколки. Вони зі здивуванням знайшли, 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 проводить не тільки протонні осколки і негативний мюон, але і зачарований кварк, який незабаром розпадається в s-кварк, мюонне нейтрино і позитивний мюон.