mion ( μ (μ − ) ) | |
---|---|
Feynmanův diagram rozpadu mionu | |
Rodina | fermion |
Skupina | lepton |
Generace | 2 |
Účastní se interakcí | Slabé , elektromagnetické a gravitační |
Antičástice | µ + |
Hmotnost | 105,6583745(24) MeV [1] |
Život | 2,19703(4)⋅10 −6 s |
Objevil | Karl Anderson v roce 1936 |
Po kom nebo co je pojmenováno | Z řečtiny. písmeno μ , používané k označení) ve standardním modelu částicové fyziky |
kvantová čísla | |
Elektrický náboj | -jeden |
baryonové číslo | 0 |
Roztočit | 1/2 ħ |
Izotopový spin | 0 |
Podivnost | 0 |
kouzlo | 0 |
Další vlastnosti | |
Složení kvarku | Ne |
Schéma rozpadu | |
Mediální soubory na Wikimedia Commons |
Mion (z řeckého písmene μ , používané pro označení) ve Standardním modelu částicové fyziky je nestabilní elementární částice se záporným elektrickým nábojem a spinem 1 ⁄ 2 . Spolu s elektronem , tau leptonem a neutrinem je klasifikován jako součást leptonové rodiny fermionů . Stejně jako oni je i mion zjevně bez struktury a neskládá se z žádných menších částic. Jako všechny fundamentální fermiony má mion antičástici s kvantovými čísly (včetně náboje) opačného znaménka, ale se stejnou hmotností a spinem: antimion (častěji se částice a antičástice nazývají negativní a pozitivní mion ). Miony se také dohromady nazývají miony a antimiony. Níže je termín "mion" používán v tomto smyslu, pokud není uvedeno jinak.
Z historických důvodů se miony někdy nazývají miony , i když to nejsou mezony v termínech moderní částicové fyziky. Hmotnost mionu je asi 207krát větší než hmotnost elektronu (přesněji 206,7682830(46)krát); z tohoto důvodu lze mion považovat za extrémně těžký elektron. Miony se označují jako μ − a antimiony jako μ + .
Na Zemi jsou miony registrovány v kosmickém záření, vznikají v důsledku rozpadu nabitých pionů . Piony jsou vytvářeny v horních vrstvách atmosféry prvotním kosmickým zářením a mají velmi krátkou dobu rozpadu, několik nanosekund. Životnost mionů je poměrně krátká - 2,2 mikrosekundy, nicméně tato elementární částice je přeborníkem v životnosti a pouze volný neutron se nerozpadá déle než on . Miony kosmického záření však mají rychlosti blízké rychlosti světla , takže díky efektu dilatace času speciální teorie relativity je lze snadno detekovat blízko zemského povrchu, na 1 metr čtvereční dopadá asi 10 tisíc mionů za minutu [ 2] .
Stejně jako u jiných nabitých leptonů existuje mionové neutrino (a antineutrino), které má stejnou příchuť jako mion (anti-mion). Mionová neutrina se označují jako ν μ , antineutrina - ν μ . Miony se téměř vždy rozpadají na elektron, elektronové antineutrino a mionové neutrino (antimuony v tomto pořadí na pozitron , elektronové neutrino a mionové antineutrino); existují i vzácnější typy rozpadu, kdy vzniká další foton nebo elektron-pozitronový pár.
Miony objevili Carl Anderson a Seth Naddermeer v roce 1937 při studiu kosmického záření [3] . Našli částice, které byly při průchodu magnetickým polem vychylovány v menší míře než elektrony, ale silněji než protony . Předpokládalo se, že jejich elektrický náboj je roven elektrickému náboji elektronu a pro vysvětlení rozdílu ve výchylce bylo nutné, aby tyto částice měly střední hmotnost, která by ležela mezi hmotností elektronu a hmotností protonu.
Z tohoto důvodu Anderson původně pojmenoval novou částici „mezotrony“ [4] , přičemž použil předponu „mezo“ (z řeckého slova pro „střední“). Někteří vědci také nazývali tuto částici mezon, což způsobilo zmatek. Francouzsky mluvící učenci navíc toto slovo neměli rádi, protože ve francouzštině jde o homofonii nevěstince [5] . Než byl objeven mezon pí , byl mion považován za kandidáta na silný nosič síly, který byl potřebný v teorii nedávno vyvinuté Yukawou . Ukázalo se však, že mion se neúčastní silných interakcí a jeho životnost je stokrát delší, než předpokládá Yukawova teorie [6] .
V roce 1941 Bruno Rossi a David Hall změřili dobu rozpadu mionu jako funkci jeho energie a poprvé experimentálně prokázali Einsteinovu dilataci času [7] .
V roce 1942 japonští vědci Tanikawa Yasutaka, Sakata Shoichi a Inoue Takeshi navrhli teorii, která považovala mezotrony nikoli za částici Yukawy, ale za produkt jejího rozpadu, ale kvůli válce byla jejich práce přeložena do angličtiny až v roce 1946 a nebyl ve Spojených státech znám.až do konce roku 1947 [6] . Mnohem později podobný předpoklad (známý jako „hypotéza dvou mezonů“) učinil Robert Marshak .
V roce 1947 se tato teorie potvrdila. Nově objevené částice se nazývaly piony . Bylo rozhodnuto používat termín „mezon“ jako obecný název pro částice této třídy [5] . Mezotrony se také nazývají mu mezon (z řeckého písmene „mu“) [8] .
Po příchodu kvarkového modelu se částice skládající se z kvarku a antikvarku začaly považovat za mezony. Mu-mezon k nim nepatřil (podle moderních koncepcí nemá žádnou vnitřní strukturu), proto byl jeho název změněn na moderní termín „mion“ [9] .
V roce 1962 bylo v experimentu provedeném v Brookhaven National Laboratory prokázáno, že zvláštní typ neutrin odpovídá mionům a účastní se pouze reakcí s nimi [10] .
Mion vyvolává mezi fyziky mnoho otázek, protože jeho role v přírodě není zcela jasná. Podle Gell-Mana by mion byl dítě hozené na prahu, což nikdo nečekal [8] . Později, v roce 1976, byly mion, mionové neutrino a s-kvark a c-kvark rozděleny do druhé generace elementárních částic . Důvody existence částic různých generací jsou však ve fyzice stále nevyřešeným problémem .
V dubnu 2021 skupina vědců z Fermilabu uvedla, že podle výsledků experimentů Muon g-2 anomální magnetický moment mionu nesouhlasí s předpověďmi Standardního modelu [11] .
Mion opakuje elektron v mnoha charakteristikách: má také náboj -1 a spin ½ (to znamená, že je to fermion ). Spolu s elektronem a částicí tau patří mion do rodiny leptonů : jeho leptonové číslo je 1 a baryonové číslo je nula. U antimionů jsou hodnoty všech nábojů opačného znaménka a zbývající charakteristiky se shodují s charakteristikami mionu. Hmotnost mionu je 1,883 × 10 −28 kg, neboli 105,658374 MeV [12] , což je téměř 207krát větší než hmotnost elektronu a přibližně 9krát menší než hmotnost protonu. Protože hmotnost mionu zaujímá mezilehlou polohu mezi elektronem a protonem, byl nějakou dobu považován za mezon . Životnost mionu je 2,1969811 mikrosekund. Pro elementární částice je taková životnost významná - mezi nestabilními částicemi má delší životnost pouze neutron (a případně proton, pokud se rozpadne). S takovou životností by mion neměl urazit více než 658 metrů, než se rozpadne.[ upřesnit ] u relativistických mionů však mohou díky dilataci času (například miony z kosmického záření) cestovat na velké vzdálenosti. Magnetický moment mionu je 3,183345142 μ p . Anomální magnetický moment mionu je 1,16592 × 10 −3 . Dipólový moment je nulový (v rámci chyby).
Mion se účastní reakcí všech základních interakcí kromě silné [13] .
K rozpadu mionu dochází pod vlivem slabé interakce: mion se rozpadá na mionové neutrino a W - -boson (virtuální), který se zase rychle rozpadá na elektron a elektronové antineutrino. Takový rozpad je jednou z forem beta rozpadu [14] . Někdy (asi v jednom procentu případů) spolu s těmito částicemi vzniká foton a v jednom případě z 10 000 se vytvoří další elektron a pozitron [12] .
Teoreticky se mion může rozpadnout na elektron a foton, pokud mionové neutrino během rozpadu kmitá , ale pravděpodobnost je extrémně malá – podle teoretických výpočtů asi 10 −50 [15] . Experimentálně bylo zjištěno, že podíl tohoto kanálu je menší než 5,7 × 10 −13 % [12] . Možná je však takový rozpad pravděpodobnější u vázaného mionu obíhajícího kolem jádra [16] .
Existují také nepotvrzené hypotézy o existenci dalších exotických kanálů rozpadu mionu, jako je rozpad na elektron a majoron [17] nebo na elektron a boson [18] .
Nejběžnější je rozpad nabitých pi-mezonů a K-mezonů na mion a mionové antineutrino, někdy s tvorbou neutrálních částic:
[19] (99 % rozpadů) [20] (64 % rozpadů) (3 % rozpadu)Tyto reakce jsou hlavními kanály pro rozpad těchto částic. Ostatní nabité mezony se také aktivně rozpadají za vzniku mionů, i když s menší pravděpodobností např. při rozpadu nabitého D-mezonu vzniká mion pouze v 18 % případů [21] . Rozpad pionů a kaonů je hlavním zdrojem mionů v kosmickém záření a urychlovačích.
Neutrální mezony se mohou rozpadnout na pár mezon-antimezon, často s tvorbou gama paprsku nebo neutrálního pionu. Pravděpodobnost takových rozpadů je však obvykle nižší:
[22] (0,03 % pokles) [23] (0,005 % pokles)U těžších mezonů se pravděpodobnost výskytu mionu zvyšuje - např. D 0 -mezon je tvoří v 6,7 % případů [24] .
Rozpad baryonuRozpadem baryonů může vzniknout mion, ale pravděpodobnost tohoto procesu je obvykle nízká. Jako příklad lze uvést následující reakce:
(0,03 % rozpady) [25] (0,015 % rozpady) [26] Rozpad bosonuTěžké neutrální bosony se někdy rozpadají na pár mion-antimuon:
(3 % se rozpadá) [27] [28] ,a nabité bosony do páru mion-antineutrino:
(11 % se rozpadá) [29] Rozpad leptonůTau lepton, jediný známý lepton, který je těžší než mion, se rozpadá na mion, tau neutrino a antimionové neutrino s pravděpodobností 17 % [30] .
Důležitou reakcí, které se mion účastní, je záchyt mionu. Když miony narazí na látku, jsou zachyceny atomy a postupně sestupují do K-orbitalu s emisí fotonů. Poloměr tohoto orbitalu je 200krát menší než odpovídající orbital elektronu, takže mion se nachází přímo v jádře po značnou dobu [31] . Proto je mion rychle zachycen jádrem a interaguje s protonem podle schématu:
.Na úrovni kvarku tato reakce probíhá jako [13]
.Pro lehká jádra (Z < 30) je pravděpodobnost záchytu úměrná Z 4 . U těžších atomů se poloměr mionové dráhy zmenšuje než poloměr jádra, proto další zvětšení jádra neovlivňuje intenzitu reakce.
Náboj elektronu se rovná náboji mionu a částice tau a v produktech rozpadu W-bosonu a Z-bosonu se vyskytují se stejnou pravděpodobností. Z tohoto důvodu může být rozdíl mezi reakcemi různých leptonů způsoben pouze rozdíly v jejich hmotnosti, nikoli mechanismem rozpadu, a proto ve většině reakcí může mion nahradit elektron (a naopak). Tato vlastnost se nazývá leptonová univerzálnost .
Údaje z experimentu LHCb o vzácných semileptonických rozpadech B-mezonů však mohou naznačovat, že univerzalita leptonu může být stále narušena [32] [33] .
Miony byly první objevené elementární částice , které se nevyskytovaly v běžných atomech . Záporně nabité miony však mohou tvořit mionové atomy, které nahrazují elektrony v běžných atomech. Řešení Schrödingerovy rovnice pro atom podobný vodíku ukazuje, že charakteristická velikost výsledných vlnových funkcí (tj . Bohrův poloměr , pokud je řešení provedeno pro atom vodíku se známým elektronem) je nepřímo úměrná hmotnost částice pohybující se kolem atomového jádra . Vzhledem k tomu, že hmotnost mionu je více než dvěstěkrát větší než hmotnost elektronu, je velikost výsledného "mionového orbitalu" mnohem menší než analogického elektronového [31] . Výsledkem je, že i pro jádra s nábojovým číslem Z = 5-10 jsou rozměry mionového mraku porovnávány s velikostí jádra nebo ji přesahují o více než řád a bezbodová povaha jádro začíná silně ovlivňovat tvar funkcí mionových vln. V důsledku toho studium jejich energetického spektra (jinými slovy absorpčních čar mionového atomu) umožňuje „nahlédnout“ do jádra a studovat jeho vnitřní strukturu.
Pozitivní mion v běžné hmotě může vázat elektron a vytvořit muonium (Mu), atom, ve kterém se mion stává jádrem [34] . Snížená hmotnost muonia a následně jeho Bohrův poloměr se blíží odpovídající hodnotě pro vodík , takže tento atom s krátkou životností se v první aproximaci chová v chemických reakcích jako ultralehký izotop vodíku.
Intenzita brzdného záření je nepřímo úměrná druhé mocnině hmotnosti částic, takže pro mion, který je 207krát těžší než elektron, jsou ztráty zářením zanedbatelné. Na druhou stranu, mion se na rozdíl od hadronů neúčastní silné interakce , takže dominantním kanálem pro ztrátu energie při průchodu vrstvou hmoty jsou ionizační ztráty do energií 10 11 −10 12 eV, a proto v V této oblasti je penetrační síla mionu úměrná jeho energii. Při vysokých energiích začíná hrát důležitou roli brzdné záření a také ztráty v důsledku štěpení atomových jader a lineární růst se zastaví [35] .
Díky těmto vlastnostem mají vysokoenergetické miony mnohem větší penetrační sílu ve srovnání s elektrony i hadrony. Miony generované srážkami částic kosmického záření s atomy horních vrstev atmosféry jsou zaznamenávány i v hloubce několika kilometrů [35] .
Pomalé miony se mohou ve hmotě úplně zastavit a atomy je vnímají jako elektrony.
Pro výpočet volné dráhy mionu v látce se taková hodnota používá jako průměrná ztráta energie pro průchod jednoho centimetru dráhy v látce o hustotě 1 g/cm 3 . Při energiích do 10 12 MeV ztrácí mion asi 2 MeV na g/cm 2 rozpětí [36] . V rozsahu od 10 12 do 10 13 eV jsou tyto ztráty velké a lze je přibližně vypočítat podle vzorce
MeV, kde je počáteční energie mionu v MeV [37] .Je tedy vidět, že vysokoenergetický mion může cestovat kilometry ve vodě a dokonce stovky metrů v železe.
Hlavním problémem, který brání konstrukci generátorů založených na termojaderné fúzi , jsou vysoké teploty, na které se musí vodíkové plazma zahřát, aby jádra mohla překonat Coulombovu bariéru a přiblížit se na vzdálenost, na kterou začnou působit jaderné síly .
Systém skládající se z protonu a mionu, tedy meshydrogenu, má rozměry stokrát menší než atom vodíku a zároveň mezon zcela odstíní náboj jádra. Meshydrogen se tedy chová jako velký neutron a může pronikat do elektronových obalů jiných atomů. Díky tomu se vodíková jádra mohou přiblížit na vzdálenosti dostatečné k tomu, aby mezi nimi došlo k jaderné fúzní reakci. Po reakci má mion velkou šanci odtrhnout se od vytvořeného jádra a připojit se k jinému, přičemž celý cyklus se opakuje a slouží tak jako katalyzátor procesu.
V případě reakcí DT (deuterium-tritium) proces probíhá následovně: mesodeuterium a tritium tvoří mesomolekulu. Průměrná vzdálenost mezi jádry není dostatečná k zahájení reakce, ale protože atomy v okamžiku největšího přiblížení oscilují kolem rovnovážné polohy, je vzdálenost mezi nimi dostatečná k tomu, aby jádra prošla Coulombovou bariérou . Výpočty ukazují, že průměrná doba termonukleární reakce je o šest řádů kratší než doba života mionu. V průměru však jeden mion může katalyzovat ne milion reakcí, ale jen asi 100-150. To je způsobeno tím, že po vytvoření jádra helia-4 a neutronu má mion přibližně 1% šanci „přilnout“ k heliu a zastavit jeho další katalytickou aktivitu. Tento proces se nazývá "otrava" katalyzátoru .
Energie uvolněná při 100 DT reakcích se rovná 2000 MeV , což je sice mnohem více než 100 MeV (energie vynaložená na tvorbu mionu), ale kvůli vysokým souvisejícím ztrátám zůstává proces energeticky nepříznivý.
Jedním ze způsobů, jak zvýšit energetický výtěžek, je využít tok neutronů produkovaných během fúze k ozáření uranové pokrývky, což způsobí štěpení uranu nebo jeho přeměnu na plutonium [38] .
Díky kosmickému záření na Zemi neustále dopadá proud mionů - v průměru jedna částice za minutu dopadne na jeden centimetr čtvereční zemského povrchu [39] . Pokud umístíte mionové detektory nad a pod nějaký objekt, můžete z rozdílu v intenzitě mionů vyvodit závěry o jeho vnitřní struktuře. Mionová tomografie se liší od konvenčnější radiografie v několika důležitých parametrech [40] :
Hlavní nevýhodou této techniky je, že získání kontrastního obrazu může trvat dlouho (dny nebo dokonce týdny), protože přirozené mionové pozadí je nízké.
V letech 1967-1968 byla pomocí této metody prozkoumána část pyramidy Khafre za účelem hledání tajných místností (nebyly nalezeny).
Modernější variace této techniky, mionová rozptylová tomografie, zachycuje nejen absorpci mionů, ale i jejich rozptyl, ke kterému dochází mnohem častěji. K tomu musí každý detektor, který stojí nad a pod objektem, fixovat trajektorii mionu. Čím větší je atomová hmotnost látky, tím více vychyluje miony, takže tato metoda dokáže účinně detekovat těžké kovy, jako je uran, což lze použít v boji proti pašování jader [41] .
Existují návrhy na konstrukci mionového a antimionového srážeče , který by mohl nahradit elektron-pozitronové srážeče [42] . Elektrony kvůli své nízké hmotnosti ztrácejí značnou část své energie na synchrotronové záření (to platí zejména u prstencových urychlovačů), proto je konstrukce elektron-pozitronových srážečů s energiemi nad 100 GeV neopodstatněná. Miony jako těžké leptony tento problém nemají, což by umožnilo dosáhnout srážkových energií několika TeV. Navíc, protože miony mají velkou hmotnost, je průřez pro produkci Higgsových bosonů v mionových urychlovačích větší než u elektron-pozitronových srážečů. To by umožnilo studium Higgsových bosonů s velkou přesností. Technická realizace takových projektů je však obtížná kvůli krátké životnosti mionů a obtížnosti získání intenzivního mionového paprsku v této velmi krátké době.
Pro pozorování atmosférických, helosférických a magnetosférických jevů se používá mionový hodoskop , který přijímá mionogram, který zaznamenává intenzitu příchodu mionů generovaných kosmickým zářením z různých směrů. [43]
Částice ve fyzice | |||||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
základní částice |
| ||||||||||||
Kompozitní částice |
| ||||||||||||