Мюон

З пляцоўкі Вікіпедыя
Jump to navigation Jump to search
Мюон
сімвал μ (μ)
маса 105,6583715(35) МэВ[1]
антычасціца μ+
класы лептон, ферміён
квантавыя лікі
электрычны зарад −1
спін 1/2
ізатапічны спін 0
барыённы лік 0
дзіўнасць 0
чароўнасць 0
Іншыя ўласцівасці і звесткі
час жыцця 2,19703(4)×10−6 c
каналы распаду
састаў часціцы няма

Мюо́н, мю-мезон — нестабільная зараджаная элементарная часціца, якая мае спін ½, час жыцця 2,2 мікрасекунды і масу прыкладна ў 207 разоў большую за масу электрона; адносіцца да лептонаў.

Адмоўна зараджаны μ і дадатна зараджаны μ+ мюоны з’яўляюцца антычасціцамі адзін аднаго. Яны маюць роўныя масы і спіны, але процілеглыя зарады.

Па гістарычных прычынах, мюоны часам называюць мю-мезонамі, хоць яны не з’яўляюцца мезонамі ў сучасным уяўленні фізікі элементарных часціц[2].

У стандартнай мадэлі фізікі элементарных часціц мюон (разам з электронам, таонам і адпаведнымі відамі нейтрына) уваходзіць у сямейства лептонаў і з’яўляецца адным з фундаментальных ферміёнаў. Як і астатнія лептоны, мюон, відаць, бесструктурны і не складаецца з нейкіх іншых элементарных часціц.

Адзінае прынцыповае адрозненне мюона ад электрона — маса мюона, якая ў 207 разоў большая за масу электрона. Па іншых, не звязаных з масай, уласцівасцях мюон вельмі падобны на электрон, і з гэтай прычыны мюон можна разглядаць як вельмі цяжкі электрон.

На Зямлі мюоны рэгіструюцца ў касмічных прамянях, яны ўзнікаюць у выніку распаду зараджаных піонаў. Піоны ствараюцца ў верхніх слаях атмасферы першаснымі касмічнымі прамянямі і маюць вельмі кароткі час распаду — некалькі нанасекунд. Час жыцця мюонаў дастаткова малы — 2,2 мікрасекунды, тым не менш гэта элементарная часціца — рэкардсмен па часу жыцця, і даўжэй за яе не распадаецца толькі свабодны нейтрон. Аднак мюоны касмічных прамянёў маюць скорасці, блізкія да скорасці святла, так што з-за эфекту запаволення часу[ru] спецыяльнай тэорыі адноснасці іх лёгка выявіць ля паверхні Зямлі[3].

Гісторыя[правіць | правіць зыходнік]

Мюоны былі эксперыментальна выяўлены ў касмічных праменях амерыканскімі фізікамі К. Андэрсанам і С. Недэрмаерам[en] у Калтэху ў 19361937 гадах. Андэрсан заўважыў адмоўна зараджаныя часціцы, якія, праходзячы скрозь магнітнае поле, адхіляліся не так крута, як электроны, але круцей, чым пратоны. Было зроблена дапушчэнне, што іх электрычны зарад роўны зараду электрона, і таму для тлумачэння адрознення ў адхіленні было неабходна, каб гэтыя часціцы мелі прамежкавую масу (якая ляжыць недзе паміж масай электрона і масай пратона).

Па гэтай прычыне Андэрсан першапачаткова назваў новую часціцу «мезатрон», выкарыстоўваючы прыстаўку «меза-» (ад грэчаскага слова «прамежкавы»). Неўзабаве пасля гэтага былі выяўлены іншыя часціцы прамежкавай масы і быў прыняты больш агульны тэрмін мезон для абазначэння любой такой часціцы. У сувязі з неабходнасцю розных абазначэнняў для розных тыпаў мезонаў, мезатрон быў перайменаваны ў «мю-мезон» (ад грэчаскай літары «мю»). Да таго, як быў адкрыты пі-мезон, мюон лічыўся кандыдатам на ролю пераносчыка моцнага ўзаемадзеяння, які быў неабходны ў незадоўга да таго распрацаванай тэорыі Юкавы. Аднак было выяўлена, што мюон не ўступае ў моцныя ўзаемадзеянні, і некаторы час (да адкрыцця пі-мезона) такія паводзіны мюона заставаліся загадкай.

Апісанне[правіць | правіць зыходнік]

Фейнманаўская дыяграма распаду мюона

Асноўныя крыніцы мюонаў — распад піонаў і каонаў, якія інтэнсіўна нараджаюцца пры сутыкненнях адронаў, працэс нараджэння пар μ μ+ фатонамі высокіх энергій, распады гіперонаў, «зачараваных» часціц і інш.

Па сваіх уласцівасцях ва ўсіх вядомых узаемадзеяннях μ паводзіць сябе аналагічна электрону, ад якога адрозніваецца толькі масай (μ — e-універсальнасць).

Слабае ўзаемадзеянне мюонаў выклікае іх распад на электрон (ці пазітрон) і адпаведнае нейтрына, што вызначае час жыцця мюонаў у вакууме.

У рэчыве павольныя мюоны страчваюць энергію на іанізацыю атамаў і могуць спыняцца. Пры гэтым μ прыцягваецца ядром атама і ўтвараецца мезаатам, а μ+ далучае да сябе электрон і ўтвараецца мюоній.

Экзатычныя атамы[правіць | правіць зыходнік]

Мюонныя атамы[правіць | правіць зыходнік]

Мюоны былі першымі адкрытымі элементарнымі часціцамі, якія не сустракаліся ў звычайных атамах. Адмоўныя мюоны могуць, аднак, фарміраваць мюонныя атамы, замяняючы электроны ў звычайных атамах. Рашэнне ўраўнення Шродзiнгера для вадародаподобнага атама паказвае, што характэрны памер атрымліваемых хвалевых функцый (гэта значыць бораўскі радыус, калі разглядаецца атам вадароду са звычайным электронам) адваротна прапарцыянальны масе часціцы, якая рухаецца вакол атамнага ядра. З-за таго, што маса мюона больш чым у дзвесце разоў пераўзыходзіць масу электрона, памер атрыманай «мюоннай атамнай арбіталi» у столькі ж разоў меншы за аналагічную электронную. У выніку, ужо для ядраў з зарадавым лікам Z = 5-10 памеры мюоннага воблака параўнальныя ці не больш чым на парадак пераўзыходзяць памеры ядра, і някропкавасць ядра пачынае аказваць моцны ўплыў на выгляд хвалевых функцый мюона. Як вынік, вывучэнне іх энергетычнага спектра (інакш кажучы, ліній паглынання мюоннага атама) дазваляе «зазірнуць» у ядро і даследаваць яго ўнутраную структуру. Таксама малыя памеры атамаў дазваляюць атамным ядрам моцна зблізіцца і зліцца, што выкарыстоўваецца для ажыццяўлення тэрмаядзернага сінтэзу (гл. мюонны каталіз).

Мюонiй[правіць | правіць зыходнік]

Дадатны мюон, спынены ў звычайнай матэрыі, можа звязаць электрон і ўтварыць мюонiй (Mu) — атам, у якім мюон дзейнічае як ядро. Прыведзеная маса[ru] мюонiя і, такім чынам, яго бораўскі радыус блізкія да адпаведных велічынь для вадароду, з прычыны чаго гэты караткажывучы атам ў першым прыбліжэнні паводзіць сябе ў хімічных рэакцыях як звышлёгкі ізатоп вадароду[4].

Практычнае выкарыстанне[правіць | правіць зыходнік]

У 1965 годзе Луіс Альварэс прапанаваў выкарыстоўваць мюоны, якія ўзнікаюць у зямной атмасферы пад дзеяннем касмічных прамянёў, для прасвечвання егіпецкіх пірамід з мэтай пошуку не выяўленых пакуль поласцей — пахавальных камер. Ідэя заключалася ў тым, што з тых напрамкаў, дзе знаходзяцца поласці, павінен прыходзіць больш моцны паток мюонаў, паколькі паветра ў поласцях прапускае больш мюонаў, чым вапняковыя блокі, з якіх зроблена піраміда. У 1967 годзе такім чынам была вывучана прыкладна пятая частка піраміды Хафры. Поласці выявіць не ўдалося[5]. У 2016 годзе мюонны сканер выявіў поласць у пірамідзе Снофру[3]. У пазнейшых працах (2017), якія абапіраюцца на тры розныя метады дэтэктавання мюонаў, было ўстаноўлена, што над Вялікаю галерэяй піраміды Хеопса знаходзіцца 30-метровая поласць. Цэнтр камеры размяшчаецца на 40-50 метраў вышэй падлогі «Камеры царыцы», па даўжыні яна параўнальная з Вялікаю галерэяй[6][7].

Гэты метад атрымаў далейшае развіццё ў пачатку XXI стагоддзя ў сувязі з задачай выяўлення ядзернай кантрабанды. Дэтэктаванне мюонаў, якія прайшлі скрозь груз, дазваляе вызначыць наяўнасць у ім цяжкіх элементаў, у тым ліку, свінцу, урану і плутонію. Цяжэйшыя элементы мацней адхіляюць мюоны ў актах рассейвання, таму, усталяваўшы газаразрадныя дэтэктары зверху і знізу доследнага аб’екта і параўноўваючы трэкі мюонаў у іх, можна вызначыць наяўнасць падазроных элементаў.

Гэты метад атрымаў назву мюоннай тамаграфіі. Работы па яго распрацоўцы былі пачаты ў Лос-Аламаскай нацыянальнай лабараторыі ў 2003 годзе пад кіраўніцтвам Крыстафера Морыса. У 2012 годзе былі праведзены першыя тэсты доследнага ўзору ў тэрмінале Фрыпарта на Багамскіх астравах. Тэсты паказалі, што абсталяванне вызначае наяўнасць падазроных матэрыялаў з практычна стопрацэнтнай надзейнасцю.

У 2015 годзе былі зроблены выпрабаванні метаду мюоннай тамаграфіі як метаду неразбуральнага кантролю ў электраэнергетыцы для ацэнкі ступені дэградацыі бетону[en], стану засавак і вымярэння таўшчынь сценак труб[8].

Гл. таксама[правіць | правіць зыходнік]

Зноскі[правіць | правіць зыходнік]

  1. http://physics.nist.gov/cuu/Constants/Table/allascii.txt Fundamental Physical Constants — Complete Listing
  2. Паводле сучаснай тэрміналогіі, мезоны — гэта адроны з цэлым спінам. Тады як мюоны з’яўляюцца лептонамі.
  3. 3,0 3,1 Ученые: мюонный сканер нашел тайную комнату в пирамиде Снофру // июнь 2016
  4. http://teachmen.ru/work/exotic/ - Экзотические атомы
  5. А. Левин. Мюоны дают добро // Популярная механика. — 2013. — № 3.
  6. К. Уласович. Физики подтвердили существование «тайной комнаты» в пирамиде Хеопса , nplus1.ru (02.11.2017).
  7. Morishima, Kunihiro; Kuno, Mitsuaki; Nishio, Akira; Kitagawa, Nobuko; Manabe, Yuta (2017). "Discovery of a big void in Khufu's Pyramid by observation of cosmic-ray muons". Nature 422 (6929): 386–390. doi:10.1038/nature24647. PMID 29160306. Bibcode2017Natur.422..277B. 
  8. Зданиям сделают «томографию» с помощью космических мюонов. N+1 (1 ліпеня 2015). Праверана 1 ліпеня 2015.

Літаратура[правіць | правіць зыходнік]

Спасылкі[правіць | правіць зыходнік]