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. Так же как они, мюон по-видимому, бесструктурен и не состоит из каких-то более мелких частиц. Как и все фундаментальные фермионы, мюон имеет античастицу с квантовыми числами (в том числе зарядом) противоположного знака, но с равной массой и спином: а̀нтимюо́н (чаще частицу и античастицу называют соответственно отрицательным и положительным мюоном). Мюонами называют также мюоны и антимюоны в совокупности. Ниже термин «мюон» употребляется в этом значении, если не оговорено обратное.

По историческим причинам, мюоны иногда называют мю-мезонами, 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 тяжёлый 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 достаточно мало — 2,2 микросекунды, тем не менее эта элементарная частица рекордсмен по времени жизни и дольше её не распадается только свободный нейтрон. 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 (и антинейтрино), которое имеет тот же аромат, что и мюон (антимюон). Мюонные нейтрино обозначаются как ν_μ, антинейтрино — ν_μ. Мюоны почти всегда распадаются в электрон, электронное антинейтрино и мюонное нейтрино (соответственно антимюоны — в позитрон, электронное нейтрино и мюонное антинейтрино); существуют также более редкие типы распада, когда возникает дополнительный фотон или электрон-позитронная пара.

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 заменён 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.^{[источник не указан 408 дней]}

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.

Экзотические атомы

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 атомной 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. Также малые размеры атомов позволяют атомным ядрам сильно сблизиться и слиться, что используется для осуществления термоядерного синтеза (см. мюонный катализ).

Мюоний

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, вследствие чего этот короткоживущий атом в первом приближении ведет себя в химических реакциях как сверхлёгкий изотоп водорода.

Практическое использование

В 1965 году Луис Альварес предложил использовать мюоны, возникающие в земной атмосфере под действием космических лучей, для просвечивания египетских пирамид с целью поиска не обнаруженных пока полостей — погребальных камер. Идея заключалась в том, что с тех направлений, где имеются полости, должен приходить более сильный поток мюонов, поскольку воздух в полостях пропускает больше мюонов, чем базальтовые блоки, из которых сделана пирамида. В 1967 году таким образом была изучена около пятой части пирамиды Хафры. Полости обнаружить не удалось^[2].

Этот метод получил дальнейшее развитие в начале XXI века в связи с задачей выявления ядерной контрабанды. Детектирование мюонов, прошедших через груз, позволяет определить наличие в нём тяжёлых элементов, в том числе, свинца, урана и плутония. Более тяжёлые элементы сильнее отклоняют мюоны в актах рассеяния, поэтому, установив газоразрядные детекторы (дрейфовые камеры) сверху и снизу исследуемого объекта и сравнивая треки мюонов в них, можно определить наличие подозрительных элементов.

Этот метод получил название мюонной томографии. Работы по его разработке были начаты в Лос-Аламосской национальной лаборатории в 2003 году под руководством Кристофера Морриса. В 2012 году были проведены первые тесты опытного образца в терминале Фрипорта на Багамских островах. Тесты показали, что оборудование определяет наличие подозрительных материалов с практически стопроцентной надёжностью^[2].

См. также

• Мюонный катализ

Литература

• Давыдов А. С. Квантовая механика. — 1963. — 747 с.
• Белоусов Ю. М. Что такое мюонный метод исследования вещества, Статьи соросовского образовательного журнала

Ссылки

Примечания