Мюон

Мюо́н (от греческой буквы μ, использующейся для обозначения) в стандартной модели физики элементарных частиц — неустойчивая элементарная частица с отрицательным электрическим зарядом и спином 12. 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 примерно в 207 раз больше массы электрона (в 206,7682830(46) раз если быть точным); 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, на 1 квадратный метр падает около 10 тысяч мюонов в минуту[2].

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 νμ, антинейтрино — νμ. 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.

Мюоны были открыты Карлом Андерсоном и Сетом Наддермеером[en] в 1937 году, во время исследования космического излучения[3]. Они обнаружили частицы, которые при прохождении через магнитное поле отклонялись в меньшей степени, чем электроны, но сильнее, чем протоны. Было сделано предположение, что их электрический заряд равен заряду электрона, и для объяснения различия в отклонении было необходимо, чтобы эти частицы имели промежуточную массу, которая лежала бы между массой электрона и массой протона.

По этой причине Андерсон первоначально назвал новую частицу «мезотроны»[4], используя приставку «мезо» (от греческого слова «промежуточный»). Также некоторые ученые называли эту частицу мезон, что вызвало путаницу. Кроме того, франкоговорящим учёным не нравилось это слово, поскольку во французском оно омофон борделя[5]. До того как был открыт пи-мезон, мюон считался кандидатом на роль переносчика сильного взаимодействия, который был необходим в теории, незадолго до этого разработаной Юкавой. Однако оказалось, что мюон не участвует в сильных взаимодействиях, а его время жизни в сотни раз больше, чем предполагалось теорией Юкавы[6].

В 1941 году Бруно Россі[en] и Дэвид Холл, измеряя время распада мюона в зависимости от его энергии, впервые экспериментально продемонстрировали эйнштейновское замедление времени[7].

В 1942 году японские ученые Таникава Ясутака, Саката Сьоити и Иноуэ Такэси предложили теорию, которая рассматривала мезотроны не как частицу Юкавы, а как продукт её распада, но из-за войны их работы были переведены на английский только в 1946 и не были известны в США до конца 1947[6]. Много позже похожее предположение (известное под названием «двумезонная гипотеза») высказал Роберт Маршак.

В 1947 году эта теория подтвердились. Вновь открытые частицы получили название пионы. Было решено использовать термин «мезон» как общее название частиц этого класса[5]. Мезотроны же получил название мю-мезон (от греческой буквы «мю»)[8].

После появления кварковой модели мезонами начали считаться частицы, состоящие из кварка и антикварка. Мю-мезон же не принадлежал к ним (по современным представлениям он не имеет внутренней структуры), поэтому его название изменили на современный термин «мюон»[9].

В 1962 году в эксперименте, проведённом в Брукхейвенской национальной лаборатории, было показано, что мюонам соответствует особый тип нейтрино, участвующий только в реакциях с ними[10].

Мюон вызывает много вопросов у физиков, поскольку его роль в природе не вполне понятна. По словам Гелл-Мана, мюон был бы ребёнком, подброшенным на порог, которого никто не ожидал[8]. Позже, в 1976 году, мюон, мюонное нейтрино, а также s-кварк и c-кварк были выделены во второе поколение элементарных частиц. Однако причины существования частиц разных поколений — всё ещё нерешённая проблема физики.

В апреле 2021 группа учёных из Фермилаб заявила, что по результатам экспериментов Muon g-2[en] Аномальный магнитный момент мюона не согласуется с предсказаниями Стандартной модели[11].

Мюон по многим характеристикам повторяет электрон: он также обладает зарядом −1 и спином ½ (то есть является фермионом). Вместе с электроном и тау-частицей мюон относится к семейству лептонов: его лептонное число равно 1, а барионное — нулю. Для антимюонов значения всех зарядов — противоположного знака, а остальные характеристики совпадают с характеристиками мюона. Масса мюона равна 1,883 × 10 −28 кг, или 105,658374 МэВ[12] — почти в 207 раз больше, чем масса электрона, и примерно в 9 раз меньше, чем масса протона. Так как масса мюона занимает промежуточное положение между электроном и протоном, некоторое время его считали мезоном. Время жизни мюона составляет 2,1969811 микросекунды. Для элементарных частиц такая продолжительность жизни является значительной — среди нестабильных частиц только нейтрон (и, возможно, протон, если он распадается) имеет большее время жизни. При такой продолжительности жизни мюон должен проходить не более 658 метров до распада[уточнить], однако для релятивистских мюонов из-за замедления времени они (например, мюоны космических лучей) могут проходить большие дистанции. Магнитный момент мюона составляет 3,183345142 μ p. Аномальный магнитный момент мюона равен 1,16592 × 10−3. Дипольный момент равен нулю (в пределах погрешности).

Мюон участвует в реакциях всех фундаментальных взаимодействий, кроме сильного[13].

Распад мюона происходит под действием слабого взаимодействия: мюон распадается на мюонное нейтрино и W--бозон (виртуальный), который в свою очередь быстро распадается на электрон и электронное антинейтрино. Такой распад является одной из форм бета-распада[14]. Иногда (примерно в одном проценте случаев) вместе с этими частицами образуется фотон, а в одном случае из 10000 — ещё один электрон и позитрон[12].

Теоретически мюон может распасться на электрон и фотон, если при распаде мюонное нейтрино осциллирует, однако вероятность этого крайне мала — порядка 10−50 согласно теоретическим расчётам[15]. Экспериментально установлено, что доля этого канала меньше 5,7 × 10 −13%[12]. Впрочем, возможно, такой распад является более вероятным для связанного мюона, вращающийся вокруг ядра[16].

Также есть неподтвержденные гипотезы существования других экзотических каналов распада мюона, таких как распад на электрон и майорон[17] или на электрон и бозон[18].

Наиболее привычным является распад заряженных пи-мезонов и K-мезонов на мюон и мюонное антинейтрино, иногда с образованием нейтральных частиц:

Эти реакции являются основными каналами распада этих частиц. Другие заряженные мезоны также активно распадаются с образованием мюонов, хотя и с меньшей вероятностью, например, при распаде заряженного D-мезона мюон образуется лишь в 18 % случаев[21]. Распад пионов и каонов — это основной источник мюонов в космических лучах и ускорителях.

Нейтральные мезоны могут распадаться на пару мезон-антимезон, нередко с образованием гамма-кванта или нейтрального пиона. Однако вероятность таких распадов, как правило, меньше:

Для более тяжёлых мезонов вероятность появления мюона увеличивается — например, D0-мезон образует их в 6,7 % случачх[24].

Мюон может образовываться при распаде барионов, однако вероятность этого процесса обычно низка. В качестве примера можно привести такие реакции:

Тяжёлые нейтральные бозоны иногда распадаются на мюон-антимюонную пару:

Тау-лептон — единственный известный лептон, который тяжелее мюона — с вероятностью в 17 % распадается на мюон, тау-нейтрино и антимюонное нейтрино[30].

Важной реакцией, в которой участвует мюон, является мюонный захват. При попадании мюонов в вещество они захватываются атомами и постепенно опускаются на К-орбиталь с излучением фотонов. Радиус этой орбитали в 200 раз меньше, чем соответствующей орбитали электрона, поэтому значительное время мюон находится непосредственно в ядре[31]. Поэтому мюон быстро захватывается ядром, взаимодействуя с протоном по схеме:

Для лёгких ядер (Z < 30) вероятность захвата пропорциональна Z4. Для более тяжёлых атомов радиус орбиты мюона становится меньше радиуса ядра, поэтому дальнейшее увеличение ядра не влияет на интенсивность реакции.

Заряд электрона равен заряду мюона и тау-частицы, а в продуктах распада W-бозона и Z-бозона они встречаются с одинаковой вероятностью. Из-за этого разница между любыми реакциями с участием различных лептонов может быть вызвана только различиями в их массе, а не в механизме распада, и потому в большинстве реакций мюон может заменять электрон (и наоборот). Эта особенность называется лептонной универсальностью.

Впрочем, данные эксперимента LHCb по редким полулептонным распадам B-мезонов могут свидетельствовать о том, что лептонная универсальность всё-таки может нарушаться[32][33].

Мюоны были первыми открытыми элементарными частицами, которые не встречались в обычных атомах. Отрицательно заряженные 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. Вследствие того, что масса мюона более чем в двести раз превосходит массу электрона, размер получаемой «мюонных орбитали» во столько же раз меньше аналогичной электронной[31]. В результате уже для ядер с зарядовым числом Z = 5-10 размеры мюонного облака сравниваются с размером ядра или не более чем на порядок превосходят его, и неточечность ядра начинает сильно влиять 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 в обычной материи может связать электрон и сформировать мюоний (Mu) — атом, в котором мюон становится ядром[34]. Приведённая масса мюония и, следовательно, его боровский радиус близки к соответствующей величине для водорода, поэтому этот короткоживущий атом в первом приближении ведёт себя в химических реакциях как сверхлёгкий изотоп водорода.

Интенсивность тормозного излучения обратно пропорциональна квадрату массы частицы, поэтому для мюона, который в 207 раз тяжелее электрона, потери на излучение пренебрежимо малы. С другой стороны, мюон, в отличие от адронов, не участвует в сильном взаимодействии, поэтому доминирующим каналом потери энергии при прохождении через слой вещества являются потери на ионизацию до энергий 1011−1012 эВ, а потому в этой области проникающая способность мюона пропорциональна его энергии. При больших энергиях тормозное излучение, а также потери на расщепление атомных ядер начинают играть большую роль, и линейный рост останавливается[35].

Благодаря этим свойствам мюоны высоких энергий имеют значительно большую проникающую способность по сравнению как с электронами, так и с адронами. Мюоны, порождённые столкновениями частиц космических лучей с атомами верхних слоев атмосферы, регистрируются даже на глубине нескольких километров[35].

Медленные мюоны могут полностью останавливаться в веществе и восприниматься атомами как электроны.

Для вычисления свободного пробега мюона в веществе используют такую величину, как средние потери энергии за пролёт одного сантиметра пути в веществе плотностью 1 г/см3. При энергии до 1012 МэВ мюон теряет около 2 МэВ на г/см2 пролёта[36]. В диапазоне от 1012 до 1013 эВ эти потери являются большими и могут быть приближенно вычислены по формуле

Таким образом можно видеть, что в воде высокоэнергетический мюон может пролететь километры, и даже в железе — сотни метров.

Основной сложностью, мешающей строить генераторы на базе термоядерного синтеза, являются высокие температуры, до которых должна быть нагрета водородная плазма, чтобы ядра могли преодолеть кулоновский барьер и приблизиться на расстояние, на котором начнут действовать ядерные силы.

Система, состоящая из протона и мюона, то есть мезоводород, имеет размеры в сотни раз меньше атома водорода, и при этом мезон полностью экранирует заряд ядра. Таким образом, мезовододород ведёт себя как большой нейтрон и может проникать через электронные оболочки других атомов. Благодаря этому ядра водорода могут приближаться на расстояния, достаточные для того, чтобы между ними произошла реакция ядерного синтеза. После реакции мюон имеет большой шанс оторваться от образованного ядра и присоединиться к другому, повторяя весь цикл и служа, таким образом, катализатором процесса.

В случае реакций D-T (дейтерия-тритий) процесс проходит следующим образом: мезодейтерий и тритий образуют мезомолекулу. Среднего расстояния между ядрами недостаточно для начала реакции, однако поскольку атомы в момент наибольшего сближения колеблются вокруг положения равновесия, расстояние между ними становится достаточным для того, чтобы ядра туннелировали через кулоновский барьер. Расчёты показывают, что среднее время термоядерной реакции на шесть порядков меньше времени жизни мюона. Однако в среднем один мюон может катализировать не миллион реакций, а лишь порядка 100—150. Это связано с тем, что после образования ядра гелия-4 и нейтрона мюон имеет шанс примерно в 1% «прилипнуть» к гелию и прекратить свою дальнейшую каталитическую деятельность. Этот процесс называют «отравлением» катализатора.

Энергия, выделяющаяся за 100 реакций D-T, равна 2000 МэВ, что хотя и значительно больше 100 МэВ (энергии, затрачиваемой на образование мюона), но из-за высоких сопутствующих потерь процесс остаётся энергетически невыгодным.

Одним из способов увеличить энергетический выход является использование потока нейтронов, образующихся при синтезе, для облучения уранового бланкета, что будет вызывать деление ядра урана или превращение его в плутоний[38].

Благодаря космическим лучам на Землю постоянно падает поток мюонов — в среднем на один квадратный сантиметр земной поверхности падает одна частица в минуту[39]. Если поставить мюонные детекторы над и под некоторым объектом, можно по разнице интенсивности мюонов сделать выводы относительно его внутренней структуры. От более привычной рентгенографии мюонная томография отличается несколькими важными параметрами[40]:

Главный минус этой методики заключается в том, что получение контрастного изображения может потребовать много времени (дни или даже недели), потому что природный мюонный фон является невысоким.

В 1967—1968 годах часть пирамиды Хефрена была исследована при помощи этого метода с целью поиска потайных комнат (их не нашли).

Более современная вариация этой методики, томография мюонного рассеивания, фиксирует не только поглощение мюонов, но и их рассеивание, которое происходит значительно чаще. Для этого каждый детектор, который стоит над и под объектом, должен фиксировать траекторию мюона. Чем больше атомная масса вещества, тем сильнее оно отклоняет мюоны, поэтому этот метод позволяет эффективно выявлять тяжёлые металлы, такие как уран, что может быть использовано для борьбы с ядерной контрабандой[41].

Существуют предложения строительства коллайдера мюонов и антимюонов, которые могли бы заменить электрон-позитронные коллайдеры[42]. Электроны из-за своей низкой массы теряют значительную часть своей энергии на синхротронное излучение (особенно это актуально в кольцевых коллайдерах), поэтому строительство электрон-позитронных колайдеров с энергией выше 100 ГэВ является неоправданным. Мюоны, будучи тяжелыми лептонами, лишены этой проблемы, что позволило бы достичь энергий столкновений в несколько ТэВ. К тому же поскольку мюоны имеют большую массу, в мюонных коллайдере сечение образования бозонов Хиггса является большим, чем в электрон-позитронных коллайдерах. Это позволило бы изучать бозоны Хиггса с большой точностью. Однако техническая реализация таких проектов затруднена из-за короткого времени жизни мюонов и проблематичности получения интенсивного пучка мюонов за это очень короткое время.

Для наблюдения за атмосферными, гелоисферными и магнитосферными явлениями используется мюонный годоскоп, который получает мюонограмму, регистрирующую интенсивность прилёта мюонов, генерируемых космическими лучами, с разных направлений.[43]