Muon - Muon

Muon

Kuun kosminen säteilyvarjo, kuten ilmakehän kosmisen säteen tuottamissa toissijaisissa muoneissa ja havaittu 700 metriä maanpinnan alapuolella, Soudan 2 -ilmaisimessa
Sävellys	Alkeishiukkaset
Tilastot	Fermioninen
Perhe	Lepton
Sukupolvi	Toinen
Vuorovaikutukset	Painovoima , sähkömagneettinen , heikko
Symboli	μ-
Antihiukkaset	Antimuon ( μ+ )
Löytyi	Carl D.Anderson , Seth Neddermeyer (1936)
Massa	1,883 531 627 (42) x 10 -28  kg 105,658 3755 (23)  MeV/ c 2 0,113 428 9259 (25)  Da
Keskimääräinen elinikä	2,196 9811 (22) x 10 -6  s
Hajoaa sisään	e- , ν e, ν μ (yleisin)
Sähkövaraus	−1  e
Värivaraus	Ei mitään
Pyöräytä	1/2
Heikko isospiini	LH : -1/2, RH : 0
Heikko hyperlataus	LH : −1, RH : −2

Muon ( / m JU ɒ n / , mistä kreikkalainen kirjain mu (μ) käytetään edustamaan sitä) on alkeishiukkasfysiikka samanlainen elektroni , ja sähkövaraus -1  e ja spin 1/2, mutta paljon suuremman massan kanssa. Se luokitellaan leptoniksi . Muiden leptonien tavoin muonilla ei tiedetä olevan mitään alarakennetta-toisin sanoen sen ei uskota koostuvan yksinkertaisemmista hiukkasista.

Muoni on epävakaa subatominen hiukkanen , jonka keskimääräinen käyttöikä on2,2  μs , paljon pidempi kuin monet muut subatomiset hiukkaset. Kuten ei-alkuaine neutronin hajoamisessa (elinaika noin 15 minuuttia), muonin hajoaminen on hidasta (subatomisten standardien mukaan), koska hajoamista välittää vain heikko vuorovaikutus (eikä voimakkaampi voimakas vuorovaikutus tai sähkömagneettinen vuorovaikutus ) , ja koska massaero muonin ja sen hajoamistuotteiden joukon välillä on pieni, mikä tarjoaa vain vähän kineettistä vapautta rappeutumiselle. Muonin hajoaminen tuottaa lähes aina vähintään kolme hiukkasia, joiden on sisällettävä elektroni , jolla on sama varaus kuin muonilla, ja kahdenlaisia neutriinoja .

Kuten kaikki alkeishiukkaset The muon on vastaava antihiukkanen vastakkaisen varauksen (+1  e ), mutta yhtä suuri massa ja spin: Tällä antimuon (kutsutaan myös positiivinen Muon ). Muoneja merkitään
μ^-
ja antimuons by
μ⁺
. Aiemmin muoneja kutsuttiin " mu mesoneiksi " , mutta nykyaikaiset hiukkasfyysikot eivät luokittele niitä mesoneiksi (katso § Historia ), eikä fysiikkayhteisö enää käytä tätä nimeä.

Myonit on massa on105,66  MeV / c ² , joka on noin 207 kertaa, että elektroneja, m _e . Tarkemmin sanottuna se on206,768 2830 (46)  m _e .

Suuremman massansa vuoksi muonit kiihtyvät hitaammin kuin sähkömagneettisten kenttien elektronit ja lähettävät vähemmän bremsstrahlungia (hidastussäteilyä). Tämä sallii tietyn energian muonien tunkeutua paljon syvemmälle aineeseen, koska elektronien ja muonien hidastuminen johtuu pääasiassa bremsstrahlung -mekanismin energiahäviöstä. Esimerkiksi niin kutsutut "toissijaiset muonit", jotka ovat syntyneet ilmakehään osuvien kosmisten säteiden vaikutuksesta, voivat tunkeutua ilmakehään ja päästä maapallon pinnalle ja jopa syviin kaivoksiin.

Koska muoneilla on suurempi massa ja energia kuin radioaktiivisuuden hajoamisenergialla , niitä ei synny radioaktiivisella hajoamisella . Mutta ne on tuotettu suuria määriä korkean energian välistä vuorovaikutusta normaaleissa aineen, tiettyjen hiukkasten kiihdytin kokeiluja hadronien ja kosmisen säteilyn vuorovaikutusta aineen kanssa. Nämä vuorovaikutukset tuottavat yleensä aluksi pi mesoneja , jotka melkein aina hajoavat muoneiksi.

Kuten muidenkin varautuneiden leptonien kohdalla, muonilla on siihen liittyvä muonineutriino , jota merkitään
ν
_μ, joka eroaa elektronineutriinosta ja osallistuu erilaisiin ydinreaktioihin.

Historia

Myonit löydettiin Carl D. Anderson ja Seth Neddermeyer klo Caltech 1936 opiskellessaan kosminen säteily . Anderson huomasi hiukkasia, jotka kaartuivat eri tavalla kuin elektronit ja muut tunnetut hiukkaset magneettikentän läpi . Ne olivat negatiivisesti varautuneita, mutta kaareutuneet vähemmän jyrkästi kuin elektronit, mutta terävämmin kuin protonit saman nopeuden hiukkasille. Oletettiin, että niiden negatiivisen sähkövarauksen suuruus oli yhtä suuri kuin elektronin, ja siten kaarevuuseron huomioon ottamiseksi oletettiin, että niiden massa oli suurempi kuin elektroni, mutta pienempi kuin protoni. Niinpä Anderson kutsui aluksi uutta partikkelia mesotroniksi ja otti käyttöön etuliitteen meso- kreikan sanasta "mid-". Olemassaolo muon vahvistettiin vuonna 1937 JC Street ja EY Stevensonin sumukammiokokeet kokeilu.

Teoreetikko Hideki Yukawa oli ennustanut hiukkasen, jonka massa oli mesonialueella, ennen minkään mesonin löytämistä :

Näyttää luonnolliselta muuttaa Heisenbergin ja Fermin teoriaa seuraavalla tavalla. Raskaan hiukkasen siirtymiseen neutronitilasta protonitilaan ei aina liity kevyitä hiukkasia. Siirtymän ottaa joskus toinen raskas hiukkanen.

Massansa vuoksi mu mesonia pidettiin alun perin Yukawan hiukkasena, ja jotkut tutkijat, mukaan lukien Niels Bohr , nimesivät sen alun perin yukoniksi. Yukawan ennustettu hiukkanen, pi meson , tunnistettiin lopulta vuonna 1947 (jälleen kosmisen säteen vuorovaikutuksen perusteella), ja sen osoitettiin eroavan mu mesonista sillä, että sillä oli ydinvoimaa välittävän hiukkasen ominaisuudet .

Kun kaksi partikkelia tunnetaan nyt välimassalla, yleisempi termi meson hyväksyttiin viittaamaan mihin tahansa tällaiseen hiukkaseen oikealla massa -alueella elektronien ja nukleonien välillä. Lisäksi, jotta voitaisiin tehdä ero kahden eri mesonityypin välillä toisen mesonin löytämisen jälkeen, alkuperäinen mesotronihiukkanen nimettiin uudelleen mu mesoniksi (kreikkalainen kirjain μ [ mu ] vastaa m ) ja uusi 1947 meson (Yukawan hiukkanen) ) nimettiin pi mesoniksi .

Kun kiihdytinkokeissa löydettiin myöhemmin lisää mesonityyppejä, lopulta havaittiin, että mu meson erosi merkittävästi paitsi pi mesonista (suunnilleen saman massan) myös kaikista muista mesonityypeistä. Ero oli osittain siinä, että mu mesonit eivät olleet vuorovaikutuksessa ydinvoiman kanssa , kuten pi mesonit tekivät (ja Yukawan teorian mukaan ne olivat pakollisia). Uudemmat mesonit osoittivat myös todisteita käyttäytymisestä kuten pi meson ydinvuorovaikutuksissa, mutta eivät kuten mu meson. Myös mu mesonin hajoamistuotteet sisälsivät sekä neutrinoa että antineutrinoa eikä vain yhtä tai toista, kuten havaittiin muiden varautuneiden mesonien hajoamisessa.

1970 -luvulla kodifioidussa hiukkasfysiikan lopullisessa vakiomallissa kaikkien muiden mesonien kuin mu mesonien ymmärrettiin olevan hadronit - toisin sanoen kvarkkeista tehdyt hiukkaset - ja siten ydinvoiman alaisia . Kvarkkimallissa mesonia ei enää määritelty massalla (joillekin oli havaittu, että ne olivat erittäin massiivisia - enemmän kuin nukleoneja ), vaan sen sijaan ne olivat hiukkasia, jotka koostuivat täsmälleen kahdesta kvarkista (kvarkista ja antikvarista), toisin kuin baryonit , jotka määritellään hiukkasiksi, jotka koostuvat kolmesta kvarkista (protonit ja neutronit olivat kevyimmät baryonit). Mu mesonit olivat kuitenkin osoittaneet olevansa perushiukkasia (leptoneja), kuten elektroneja, ilman kvarkkirakennetta. Siten mu "mesonit" eivät olleet ollenkaan mesoneja , hiukkasrakenteen kvarkimallin yhteydessä käytetyn termin meson uudessa merkityksessä ja käytössä .

Tämän määritelmän muutoksen myötä termi mu meson hylättiin ja korvattiin aina kun mahdollista nykyaikaisella termillä muon , mikä teki termistä "mu meson" vain historiallisen alaviitteen. Uudessa kvarkki mallin muunlaisia mesons joskus edelleen tarkoitettuihin lyhyempi terminologiaa (esim pion PI mesonin), mutta kun kyseessä on muon, se säilytti lyhyempää nimeä eikä sitä koskaan uudelleen kunnolla tarkoitetut ikääntyneiden "mu meson" terminologia.

Lopulta muonin tunnustaminen yksinkertaiseksi "raskaaksi elektroniksi", jolla ei ollut lainkaan roolia ydinvuorovaikutuksessa, näytti tuolloin niin epäoikeudenmukaiselta ja yllättävältä, että Nobel -palkittu I. I. Rabi huudahti kuuluisasti: "Kuka käski sen?"

Vuonna Rossi-Hall-koe (1941), myonit käytettiin tarkkailla ajan dilataatio (tai, vaihtoehtoisesti, pituus supistuminen ) ennusti suhteellisuusteorian , ensimmäistä kertaa.

Muonin lähteet

Maon pinnalle saapuvat muonit syntyvät epäsuorasti hajoamistuotteina kosmisten säteiden törmäyksistä maapallon ilmakehän hiukkasiin.

Noin 10 000 muonia saavuttaa jokaisen maan pinnan neliömetrin minuutissa; nämä varautuneet hiukkaset muodostuvat sivutuotteina kosmisista säteistä, jotka törmäävät yläilmakehän molekyyleihin. Matkalla relativistisilla nopeuksilla, muonit voivat tunkeutua kymmeniä metrejä kiviin ja muuhun aineeseen ennen kuin ne heikentyvät muiden atomien absorboitumisen tai taipumisen seurauksena.

Kun kosmisen säteen protoni vaikuttaa ytimiin ylemmässä ilmakehässä, syntyy pioneja . Nämä hajoavat suhteellisen lyhyellä etäisyydellä (metreinä) muoneiksi (niiden suosituimmaksi hajoamistuotteeksi) ja muonineutriinoiksi . Näistä suuren energian kosmisista säteistä peräisin olevat muonit jatkuvat yleensä suunnilleen samaan suuntaan kuin alkuperäinen protoni nopeudella, joka on lähellä valon nopeutta . Vaikka elinaikanaan ilman relativistiset vaikutuksia mahdollistaisi puolen selviytymisen päässä vain noin 456 metriä (2,197 us x ln (2) x 0,9997 × c ) enintään (nähtynä Earth) aika dilation vaikutusta suhteellisuusteorian (näkökulmasta Maapallon) mahdollistaa kosmisen säteen toissijaisten muonien selviytyä lennosta maan pinnalle, koska maapallon kehyksessä muoneilla on nopeampi puoliintumisaika . Muonin näkökulmasta ( inertiakehys ) sitä vastoin erikoisrelatiivisuuden pituuden supistumisvaikutus sallii tämän tunkeutumisen, koska muonikehyksessä sen käyttöikä ei vaikuta, mutta pituuden supistuminen aiheuttaa etäisyyksiä ilmakehän ja Maa on paljon lyhyempi kuin nämä etäisyydet maan lepokehyksessä. Molemmat vaikutukset ovat yhtä päteviä tapoja selittää nopean muonin epätavallinen selviytyminen etäisyyksiltä.

Koska muonit tunkeutuvat epätavallisesti tavalliseen aineeseen, kuten neutriinot, ne ovat myös havaittavissa syvällä maan alla (700 metriä Soudan 2 -ilmaisimessa) ja veden alla, missä ne muodostavat suuren osan luonnollisesta taustalla olevasta ionisoivasta säteilystä. Kuten kosmiset säteet, kuten todettu, tämä toissijainen muonisäteily on myös suuntaava.

Sama tuman yllä kuvattu reaktio (eli hadron-hadron vaikutusten tuottaa pion säteet, jotka sitten nopeasti hajoaminen muon palkit lyhyillä matkoilla) käytetään hiukkasfyysikot ja tuottaa muon säteet, kuten säde käytetään muon g -2 kokeilu .

Muonin rappeutuminen

Yleisin muonin hajoaminen

Muonit ovat epävakaita alkeishiukkasia ja ovat raskaampia kuin elektronit ja neutriinot, mutta kevyempiä kuin kaikki muut ainehiukkaset. Ne hajoavat heikon vuorovaikutuksen kautta . Koska leptoniset sukunumerot säilyvät ilman erittäin epätodennäköistä välitöntä neutriinovärähtelyä , yksi muonin hajoamisen tuote-neutriineista on oltava muonityyppinen neutrino ja toinen elektronityyppinen antineutriino (antimuonihajoaminen tuottaa vastaavat hiukkaset, kuten alla).

Koska varaus on säilytettävä, yksi muonin hajoamisen tuotteista on aina elektroni, jolla on sama varaus kuin muonilla (positroni, jos se on positiivinen muoni). Siten kaikki muonit hajoavat ainakin elektroniksi ja kahdeksi neutriinoksi. Joskus näiden välttämättömien tuotteiden lisäksi syntyy muita hiukkasia, joilla ei ole nettovarausta ja spin nolla (esim. Fotonipari tai elektroni-positroni-pari).

Hallitseva muonin hajoamistila (jota joskus kutsutaan Michelin hajoamiseksi Louis Michelin mukaan ) on yksinkertaisin mahdollinen: muoni hajoaa elektroniksi, elektroniantineutrinoksi ja muonineutriinoksi. Antimuunit hajoavat peilimuodossa useimmiten vastaaviksi antihiukkasiksi: positroniksi , elektronineutrinoksi ja muoniantineutrinoksi. Kaavan mukaan nämä kaksi hajoamista ovat:

μ^-
→
e^-
+
ν
_e +
ν
_μ

μ⁺
→
e⁺
+
ν
_e +
ν
_μ

(Positiivisen) muonin keskimääräinen käyttöikä τ = ħ / Γ on(2,196 9811 ± 0,000 0022 )  μs . Muonin ja antimuonin elinajan tasa -arvo on vahvistettu paremmaksi kuin yksi osa 10 ^{4: stä} .

Kielletty hajoaminen

Tietyt neutriinoittomat hajoamistavat ovat kinemaattisesti sallittuja, mutta ne ovat käytännön syistä kiellettyjä vakiomallissa , vaikka neutriinoilla olisi massa ja värähtely. Esimerkkejä leptonin maun säilyttämisestä kielletyistä ovat:

μ^-
→
e^-
+
γ

ja

μ^-
→
e^-
+
e⁺
+
e^-
.

Tarkemmin sanottuna: Vakiomallissa, jossa on neutriinomassa, rappeutuminen
μ^-
→
e^-
+
γ
on teknisesti mahdollista, esimerkiksi neutriino värähtely virtuaalisen muon neutrino elektroni neutrino, mutta tällainen hajoaminen on astronomisesti epätodennäköistä, ja sen vuoksi pitäisi olla kokeellisesti piilevien: Alle 10 ⁵⁰ muon hajoaa pitäisi tuottaa tällaista hajoamista.

Tällaisten hajoamistilojen havaitseminen olisi selvä todiste vakio mallin ulkopuolisille teorioille . Tällaisten hajoamistilojen haarautumisjakeiden ylärajat mitattiin monissa kokeissa, jotka alkoivat yli 50 vuotta sitten. Nykyinen yläraja
μ⁺
→
e⁺
+
γ
haarautumisfraktio mitattiin vuosina 2009–2013 MEG -kokeessa ja se on 4,2 × 10 ⁻¹³ .

Teoreettinen hajoamisnopeus

Muon hajoaminen leveys , joka seuraa Fermi kultainen sääntö on ulottuvuus energiaa, ja on verrannollinen amplitudin neliöön, ja siten neliön Fermi n kytkentävakio ( ), yli-kaikki ulottuvuus käänteistä neljänteen potenssiin energiaa. Mitta-analyysin mukaan tämä johtaa Sargentin viidennen tehon riippuvuussääntöön m _μ , ${\ displaystyle G _ {\ text {F}}}$

${\ displaystyle \ Gamma = {\ frac {G _ {\ text {F}}^{2} m _ {\ mu}^{5}} {192 \ pi^{3}}} ~ I \ vasen ({\ frac {m _ {\ text {e}}^{2}} {m _ {\ mu}^{2}}} \ oikea),}$

missä ja: ${\ displaystyle I (x) = 1-8x-12x^{2} \ ln x+8x^{3} -x^{4}}$

${\ displaystyle x = {\ frac {2 \, E _ {\ text {e}}} {m _ {\ mu} \, c^{2}}}}$ on murto -osa elektronille lähetetystä enimmäisenergiasta.

Elektronin hajoamisjakaumat muonien hajoamisessa on parametroitu käyttämällä ns. Michel-parametreja . Arvot näistä neljästä parametrista ennustetaan yksiselitteisesti, että Standard Malli on hiukkasfysiikan , siten muon hajoaa ovat hyvä testi aika-avaruuden rakenteen heikko vuorovaikutus . Vakiomallin ennusteista ei ole vielä havaittu poikkeamia.

Muonin hajoamisen osalta odotettu hajoamisjakauma Michelin parametrien vakiomalliarvoille on

${\ displaystyle {\ frac {\ operaattorinimi {d} ^{2} \ Gamma} {\ operaattorinimi {d} x \, \ operaationnimi {d} \ cos \ theta}} \ sim x ^{2} [(3- 2x)+P _ {\ mu} \ cos \ theta \, (1-2x)]}$

missä on kulma muonin polarisaatiovektorin ja hajoamis-elektroni-momenttivektorin välillä ja on eteenpäin polarisoitujen muonien osuus. Tämän ilmaisun integroiminen elektronienergian yli antaa tytär -elektronien kulmajakauman: ${\ displaystyle \ theta}$${\ displaystyle \ mathbf {P} _ {\ mu}}$${\ displaystyle P _ {\ mu} = | \ mathbf {P} _ {\ mu} |}$

${\ displaystyle {\ frac {\ operaattorinimi {d} \ Gamma} {\ operaationimi {d} \ cos \ theta}} \ sim 1-{\ frac {1} {3}} P _ {\ mu} \ cos \ theta .}$

Napakulmaan integroitu elektronienergian jakauma (pätee ) on ${\ displaystyle x <1}$

${\ displaystyle {\ frac {\ operaattorinimi {d} \ Gamma} {\ operaattorinimi {d} x}} \ sim (3x^{2} -2x^{3}).}$

Koska elektronin säteilyn suunta (polaarinen vektori) on ensisijaisesti linjassa vastapäätä muonikierrosta ( aksiaalivektori ), rappeutuminen on esimerkki pariteetin säilymisestä heikon vuorovaikutuksen vuoksi. Tämä on pohjimmiltaan sama kokeellinen allekirjoitus kuin alkuperäinen esittely . Yleisemmin standardimallissa kaikki varautuneet leptonit hajoavat heikon vuorovaikutuksen kautta ja rikkovat myös pariteettisymmetriaa.

Muoniset atomit

Muoni oli ensimmäinen löydetty alkeishiukkas, joka ei näy tavallisissa atomeissa .

Negatiiviset muoniatomit

Negatiiviset muonit voivat kuitenkin muodostaa muonisia atomeja (aiemmin nimeltään mu-mesiset atomit) korvaamalla elektroni tavallisissa atomeissa. Muonic vetyatomit ovat paljon pienempiä kuin tyypillinen vetyatomeja, koska paljon suurempi massa muon antaa sille paljon paikallisen perustilan aaltofunktiolle kuin havaitaan elektronin. Monielektronisissa atomeissa, kun vain yksi elektroneista korvataan muonilla, atomin koko määräytyy edelleen muiden elektronien mukaan ja atomikoko on lähes muuttumaton. Kuitenkin tällaisissa tapauksissa muonin kiertorata on edelleen pienempi ja paljon lähempänä ydintä kuin elektronien atomiradat .

Muoninen helium luodaan korvaamalla helium-4: n elektronit muonilla . Muoni kiertää paljon lähempänä ydintä, joten muoniheeliumia voidaan siksi pitää heliumin isotooppina, jonka ydin koostuu kahdesta neutronista, kahdesta protonista ja muonista ja jonka ulkopuolella on vain yksi elektroni. Puhekielessä sitä voitaisiin kutsua "heliumiksi 4.1", koska muonin massa on hieman suurempi kuin 0,1 amu . Kemiallisesti muoninen helium, jolla on pariton valenssielektroni , voi sitoutua muihin atomeihin ja käyttäytyä enemmän kuin vetyatomi kuin inertti heliumatomi.

Muoniset raskaat vetyatomit, joilla on negatiivinen muoni, voivat käydä läpi ydinfuusion muonikatalysoidun fuusion aikana , kun muoni voi poistua uudesta atomista fuusion indusoimiseksi toisessa vetymolekyylissä. Tämä prosessi jatkuu, kunnes negatiivinen muoni on kaapattu heliumytimellä, eikä se voi paeta, ennen kuin se hajoaa.

Negatiiviset muonit, jotka ovat sitoutuneet tavanomaisiin atomeihin, voidaan siepata ( muonien sieppaus ) heikon voiman avulla ytimien protoneilla eräänlaisena elektronin sieppauksen kaltaisena prosessina. Kun näin tapahtuu, syntyy ydinmuunnos : Protonista tulee neutroni ja muonineutriinoa päästetään.

Positiiviset muoniatomit

Positiivinen muon, kun pysähtyi tavallisen aineen, ei voida vangiksi protonin koska molemmat positiiviset varaukset voi vain torjua. Positiivinen muoni ei myöskään houkuttele atomien ytimeen. Sen sijaan se sitoo satunnaisen elektronin ja muodostaa tämän elektronin kanssa eksoottisen atomin, joka tunnetaan nimellä muonium (mu) -atomi. Tässä atomissa muoni toimii ytimenä. Positiivista muonia voidaan tässä yhteydessä pitää vedyn pseudoisotooppina, jossa on yhdeksäsosa protonin massasta. Koska elektronin massa on paljon pienempi kuin protonin ja muonin massa , alennettu muoniummassa ja siten sen Bohrin säde ovat hyvin lähellä vedyn massaa . Siksi tätä sitoutunutta muoni-elektroniparia voidaan käsitellä ensimmäiseksi likimääräiseksi "lyhytikäiseksi" atomiksi ", joka käyttäytyy kemiallisesti kuten vedyn isotoopit ( protium , deuterium ja tritium ).

Sekä positiiviset että negatiiviset muonit voivat olla osa lyhytikäistä pi-mu-atomia, joka koostuu muonista ja vastakkain varautuneesta pionista. Nämä atomit havaittiin 1970 -luvulla kokeissa Brookhavenissa ja Fermilabissa.

Käytä protonin varaussäteen mittaamiseen

Koemenetelmän että odotetaan antavan kaikkein määrittää tarkasti juuri-keskineliövirheen vastaa säde protonin on mittaus taajuus on fotonien (tarkka "väri" valon) lähettämää tai imeytyy atomi siirtymät on muonic vety . Tämä vetyatomin muoto koostuu negatiivisesti varautuneesta protoniin sitoutuneesta muonista. Muoni soveltuu erityisen hyvin tähän tarkoitukseen, koska sen paljon suurempi massa johtaa paljon kompaktimpaan sidottuun tilaan ja siten suuremmalle todennäköisyydelle, että se löytyy protonin sisältä muonivedyssä verrattuna atomivetyssä olevaan elektroniin. Lamb muutos on muonic vety mitattiin ajamalla muon välillä 2 : n tilan jopa viritettyyn 2 p valtio laserin avulla. Kahden tällaisen (hieman erilaisen) siirtymän indusoimiseksi tarvittavien fotonien taajuuden raportoitiin vuonna 2014 olevan 50 ja 55 THz, mikä kvanttielektrodynamiikan nykyisten teorioiden mukaan antaa sopivan keskiarvon0,840 87 ± 0,000 39  fm protonin varaussäteelle.

Kansainvälisesti hyväksytyn arvon protonin n maksu säde perustuu sopivalla tulosten keskiarvoa vanhempien mittauksista aiheuttamia nollasta koko protonin sironnan elektronien ydinten ja valon spektri (fotoni energiat) virittyneistä atomivety. Vuonna 2014 päivitetty virallinen arvo on0,8751 ± 0,0061  fm (katso suuruusluokkaa vertailuun muihin kokoihin). Tämän tuloksen odotettu tarkkuus on noin viisitoista kertaa huonompi kuin muonivety, mutta silti he ovat eri mieltä noin 5,6 kertaa nimellisestä epävarmuudesta ( tieteellisessä merkinnässä on ero 5,6  σ ). Maailman asiantuntijoiden konferenssi tästä aiheesta johti päätökseen sulkea muonin tulos vaikuttamatta vuoden 2014 viralliseen arvoon salaisen ristiriidan piilottamisen välttämiseksi. Tämä "protonisädepalapeli" jäi ratkaisematta vuoden 2015 lopulla ja on herättänyt paljon huomiota osittain siksi, että molemmat mittaukset ovat päteviä, mikä viittaisi jonkin "uuden fysiikan" vaikutukseen.

Epänormaali magneettinen dipolimomentti

Poikkeava magneettinen dipolimomentti on ero kokeellisesti havaitun arvon magneettisen dipolimomentin ja teoreettisen arvon ennustettu Diracin yhtälö . Tämän arvon mittaaminen ja ennustaminen on erittäin tärkeää QED: n ( kvanttelektrodynamiikka ) tarkkuustestissä . E821-kokeessa Brookhavenin kansallisessa laboratoriossa (BNL) ja Muon g-2 -kokeessa Fermilabissa tutkittiin muonin pyörimisen precessiota jatkuvassa ulkoisessa magneettikentässä, kun muunit kiertelivät suljetussa säilytysrenkaassa. Muon g-2 -yhteistyö raportoi vuonna 2021:

${\ displaystyle a = {\ frac {g-2} {2}} = 0,00116592061 (41)}$.

Muonin epänormaalin magneettisen momentin arvon ennuste sisältää kolme osaa:

_μ ^SM = _μ ^QED + _μ ^EW + _μ ^oli .

Ero muonin ja elektronin g -tekijöiden välillä johtuu niiden massaerosta. Muonin suuremman massan vuoksi panokset sen epänormaalin magneettisen dipolimomentin teoreettiseen laskemiseen standardimallin heikoista vuorovaikutuksista ja hadronien osallistumisesta ovat tärkeitä nykyisellä tarkkuustasolla, kun taas nämä vaikutukset eivät ole tärkeitä elektronille. Muonin epänormaali magneettinen dipolimomentti on myös herkkä vakiomallin ulkopuolisen uuden fysiikan , kuten supersymmetrian, vaikutuksille . Tästä syystä muonin epänormaalia magneettimomenttia käytetään tavallisesti standardimallin ulkopuolisen uuden fysiikan koettimena eikä QED -testinä. Muon  g −2 , uusi kokeilu Fermilabissa E821 -magneetilla paransi tämän mittauksen tarkkuutta.

Vuonna 2020 kansainvälinen 170 fyysikon ryhmä laski tarkimman ennusteen muonin epänormaalin magneettisen momentin teoreettiselle arvolle.

Sähköinen dipolimomentti

Muonin sähköisen dipolimomentin nykyinen kokeellinen raja , | d _μ |  Brookhaven Laboratoryn E821 -kokeen asettama <1,9 × 10 ⁻¹⁹ e · cm on suuruusluokkaa standardimallin ennusteen yläpuolella. Muun kuin nolla-muonin sähköisen dipolimomentin havaitseminen tarjoaisi ylimääräisen CP-rikkomuksen lähteen . Fermilabin kokeissa odotetaan herkkyyden parantumista kahdella suuruusluokalla Brookhavenin rajan yli.

Muonin röntgen- ja tomografia

Koska muonit tunkeutuvat paljon syvemmälle kuin röntgen- tai gammasäteet , muonikuvantamista voidaan käyttää paljon paksumman materiaalin kanssa tai kosmisen säteilylähteen kanssa suurempien esineiden kanssa. Yksi esimerkki on kaupallinen muonitomografia, jota käytetään kuormittamaan kokonaisia ​​rahtikontteja suojatun ydinmateriaalin sekä räjähteiden tai muun salakuljetuksen havaitsemiseksi .

Tekniikka muon lähetyksen radiografian perustuu kosmisten säteiden lähteitä käytettiin ensimmäisen kerran vuonna 1950 mittaamaan syvyyttä ylikuormita Tunnelin Australiassa ja 1960-luvulla etsimään mahdollisia piilossa kammiot pyramidi Chephren vuonna Gizan . Vuonna 2017 raportoitiin suuren tyhjiön löytämisestä (vähintään 30 metrin pituinen) kosmisia säteilymunoja havaitsemalla.

Vuonna 2003 Los Alamosin kansallisen laboratorion tutkijat kehittivät uuden kuvantamistekniikan: muonin sirontatomografian . Kanssa muon sironta tomografia, sekä saapuvien ja lähtevien liikeratojen jokaiselle hiukkasen rekonstruoidaan, kuten esimerkiksi suljettu alumiinia drift putket . Tämän tekniikan kehittämisen jälkeen useat yritykset ovat alkaneet käyttää sitä.

Elokuussa 2014 Decision Sciences International Corporation ilmoitti saaneensa Toshiban sopimuksen myoniseuranta -ilmaisimien käytöstä Fukushiman ydinkompleksin palauttamiseksi . Fukushima Daiichi Tracker (FDT) ehdotti muutaman kuukauden muonimittauksia reaktorisydämien jakautumisen osoittamiseksi.

Joulukuussa 2014 Tepco ilmoitti käyttävänsä kahta erilaista muonin kuvantamistekniikkaa Fukushimassa, "Muonin skannausmenetelmää" yksikössä 1 (pahimmin vaurioitunut, jossa polttoaine on saattanut poistua reaktorisäiliöstä) ja "Muonin hajotusmenetelmää" Yksikkö 2.

International Research Institute for Nuclear Decommissioning IRID Japanissa ja High Energy Accelerator Research Organisation KEK soittaa menetelmää he kehitetty Unit 1 muon läpäisyä menetelmä ; Aallonpituuden muuntamiseen käytettävät 1200 optista kuitua syttyvät, kun muonit joutuvat kosketuksiin niiden kanssa. Kuukauden tiedonkeruun jälkeen toivotaan paljastavan reaktorin sisällä olevan polttoainejätteen sijainti ja määrä. Mittaukset aloitettiin helmikuussa 2015.

Katso myös

Viitteet

Lue lisää

Ulkoiset linkit

• Muoniin liittyvä media Wikimedia Commonsissa
• NASAn tähtitieteen kuva päivästä: Muonin poikkeava magneettinen momentti ja supersymmetria (28. elokuuta 2005)
• "g-2-kokeilu" . muonin epänormaali magneettinen momentti
• "muLan -kokeilu" . Arkistoitu alkuperäisestä 2. syyskuuta 2006. Measurement of the Positive Muon Lifetime
• "Katsaus hiukkasfysiikkaan" .
• "TRIUMFin heikko vuorovaikutussymmetriatesti" .
• "MEG -koe" . Arkistoitu alkuperäisestä 25. maaliskuuta 2002. Etsi hajoamista Muon → Positron + Gamma
• Kuningas, Philip. "Muonien tekeminen" . Backstage Science . Brady Haran .