Мюоны

Мюон
Символ	μ (μ−)
Масса	105,658369(9) МэВ
Античастица	μ+
Классы	лептон, фермион
Квантовые числа
Электрический заряд	-1
Спин	1/2
Изотопический спин	-
Барионное число	-
Странность	-
Очарование	-
Другие свойства
Время жизни	2.19703(4)×10-6 c
Схема распада	$e^- + \nu_{\mu} + \bar{\nu_e}$
Кварковый состав	-

Мюо́н (от греческой буквы μ, использующейся для обозначения) в стандартной модели физики элементарных частиц — неустойчивая элементарная частица с отрицательным электрическим зарядом и спином 1/2. Вместе с электроном, тау-лептоном и нейтрино классифицируется как часть лептонного семейства фермионов. Как и все фундаментальные частицы, мюон имеет античастицу с зарядом противоположного знака, но с равной массой и спином: антимюон.

По историческим причинам, мюоны иногда упоминаются как мю-мезоны, хотя они не являются мезонами в современном представлении физики элементарных частиц. Масса мюона в 207 раз больше массы электрона; по этой причине мюон можно рассматривать как чрезвычайно тяжелый электрон. Мюоны обозначаются как μ⁻, а антимюоны как μ⁺.

На Земле мюоны регистрируются в космических лучах, они возникают в результате распада заряженных пионов. Пионы создаются в верхних слоях атмосферы первичными космическими лучами и имеют очень короткое время распада — несколько наносекунд. Время жизни мюонов тоже мало — 2,2 микросекунды. Однако мюоны космических лучей имеют скорости, близкие к скорости света, так что из-за эффекта замедления времени специальной теории относительности их легко обнаружить у поверхности Земли.

Как и в случае других заряженных лептонов, существует мюонное нейтрино, которое имеет тот же аромат, что и мюон. Мюонные нейтрино обозначаются как ν_μ. Мюоны почти всегда распадаются в электрон, электронное антинейтрино и мюонное нейтрино; существуют также более редкие типы распада, когда возникает дополнительный фотон или электрон-позитронная пара.

Фейнмановская диаграмма распада мюона

Мюонные атомы

Мюоны были первыми открытыми элементарными частицами, которые не встречались в обычных атомах. Отрицательные мюоны могут, однако, формировать мюонные атомы, заменяя электроны в обычных атомах. Решение уравнения Шредингера для водородоподобного атома показывает, что характерный размер получаемых волновых функций (то есть радиус Бора, если решение проводится для атома водорода с привычным электроном) обратно пропорционален массе частицы движущейся вокруг атомного ядра. В силу того, что масса мюона более чем в двести раз превосходит массу электрона, размер получаемой «мюонной орбитали» во столько же раз меньше аналогичной электронной. В результате, уже для ядер с зарядовым числом Z = 5-10 размеры мюонного облака сравнимы или не более чем на порядок превосходят размеры ядра, и неточечность ядра начинает оказывать сильное влияние на вид волновых функций мюона. Как следствие, изучение их энергетического спектра (иначе говоря, линий поглощения мюонного атома) позволяет «заглянуть» в ядро и исследовать его внутреннюю структуру.

Положительный мюон, остановленный в обычной материи, может связать электрон и сформировать мюоний (Mu) — атом, в котором мюон действует как ядро. Приведенная масса мюония и, следовательно, его Боровский радиус близки к соответствующим величинам для водорода, и, следовательно, этот короткоживущий атом в первом приближении ведет себя в химических реакциях как сверхлёгкий изотоп водорода.

История

Мюоны были обнаружены Карлом Андерсоном в 1936 году, во время исследования космических лучей. Он обнаружил частицы, которые при прохождении магнитного поля отклонялись в меньшей степени, чем электроны, но более резко, чем протоны. Было сделано предположение, что их электрический заряд был равен заряду электрона, и для объяснения различия в отклонении было необходимо, чтобы эти частицы имели промежуточную массу (лежащую где-то между массой электрона и массой протона).

По этой причине Андерсон первоначально назвал новую частицу «мезотрон», используя приставку «мезо-» (от греческого слова «промежуточный»). Вскоре после этого были обнаружены другие частицы промежуточной массы и был принят более общий термин мезон для обозначения любой такой частицы. В связи с необходимостью разных обозначений для различных типов мезонов, мезотрон был переименован в «мю-мезон» (от греческой буквы «мю»). До того, как был открыт пи-мезон, мюон считался кандидатом на роль переносчика сильного взаимодействия, который был необходим в незадолго до того разработанной теории Юкавы. Однако было обнаружено, что мюон не вступает в сильные взаимодействия, и некоторое время (до открытия пи-мезона) это поведение мюона оставалось загадкой.

Вскоре обнаружилось, что мю-мезон значительно отличается от других мезонов (например, его продукты распада включали нейтрино и антинейтрино, а не только либо одно, либо другое, что наблюдалось для других мезонов). Таким образом, мю-мезоны не были мезонами вообще, и термин «мю-мезон» был заменен современным термином «мюон».

В середине 1970-х годов, физики-экспериментаторы, работающие в ЦЕРНе, исследовали рассеяние нейтрино на протонной мишени. Согласно тому, что было тогда известно о слабом взаимодействии, они ожидали, что столкновение превратит нейтрино в мюон, а протон в осколки. Они с удивлением обнаружили что в результате такого столкновения появляются два мюона, отрицательный и положительный.

Это вызвало большую теоретическую дискуссию, которая завершилась объяснением того, как появляется положительный мюон. Столкновение нейтрино и протона производит не только протонные осколки и отрицательный мюон, но и очарованный кварк, который вскоре распадается в странный кварк, мюонное нейтрино и положительный мюон.

См. также

• Мюонный катализ

Литература

Белоусов Ю.М., «Что такое мюонный метод исследования вещества», Статьи соросовского образовательного журнала

Рождение мюонов, элементарных частиц, происходило на значительном расстоянии от места столкновения протон-антипротонных пучков. Причем не парами, как предсказывалось, а в виде струй.

Частицы в физике — элементарные частицы	Править
Фермионы: Кварки: Верхний · Нижний · Странный · Очарованный · Прелестный · Истинный
Лептоны: Электрон · Позитрон · Мюон · Тау-лептон · Нейтрино
Калибровочные бозоны: Фотоны · W- и Z-бозоны · Глюоны
До сих пор не обнаружены: Бозон Хиггса · Гравитон · Другие гипотетические частицы