Мю — элементарная частица¶

Мю (мюон, μ-мезон, обозначение μ⁻) — элементарная частица, принадлежащая к классу лептонов, по массе занимающая промежуточное положение между электроном и тяжёлым тау-лептоном. Масса мюона составляет 105,66 МэВ/c² (примерно в 207 раз больше массы электрона), электрический заряд равен заряду электрона (−1,602·10⁻¹⁹ Кл), спин — 1/2. Среднее время жизни мюона — около 2,2·10⁻⁶ секунды, после чего он распадается преимущественно на электрон, электронное антинейтрино и мюонное нейтрино.

¶Открытие

Мюон был открыт в 1936 году американскими физиками Карлом Андерсоном и Сетом Неддермейером во время исследования космических лучей на Калифорнийском технологическом институте. Первоначально частицу назвали «мю-мезоном» (μ-мезоном), поскольку её масса оказалась примерно в 200 раз больше массы электрона и в 10 раз меньше массы протона — величина, типичная для мезонов. Однако вскоре выяснилось, что мюон не участвует в сильном взаимодействии, что противоречило свойствам мезонов. Впоследствии частицу отнесли к лептонам, и название «мюон» закрепилось в научной литературе.

¶Основные свойства

Мюон относится ко второму поколению лептонов. В стандартной модели он является точечной элементарной частицей, не имеющей внутренней структуры. Экспериментально подтверждено, что радиус мюона, если он вообще отличен от нуля, не превышает 10⁻¹⁸ метров.

¶Распад мюона

Основный канал распада мюона (браншинговое отношение ≈ 100 %) описывается схемой:

μ⁻ → e⁻ + ν̄ₑ + ν_μ

Распад обусловлен слабым взаимодействием и происходит через обмен W-бозоном. Закон сохранения лептонного заряда требует, чтобы вместе с электроном рождались нейтрино соответствующих типов. Время жизни мюона в покое составляет 2,197 мкс; при движении со скоростью, близкой к скорости света, время жизни увеличивается за счёт релятивистского замедления времени — этот эффект был впервые экспериментально подтверждён в опытах с космическими лучами.

¶Мюонное катализаторное ядерное синтез

Одно из перспективных направлений физики — мюонно-катализированный синтез (МКС). Идея, предложенная в 1950-х годах, заключается в том, что мюон, будучи в 207 раз тяжелее электрона, при захвате атомом водорода образует мюонные атомы с орбитальным радиусом, в 207 раз меньшим радиуса обычного атома. Это позволяет ядрам дейтерия и трития сблизиться настолько, чтобы произошёл термоядерный синтез при комнатной температуре. На практике реализация МКС сталкивается с проблемой дороговизны получения мюонов и «мюонного залипания» — прилипания мюона к продуктам синтеза (альфа-частицам), что снижает эффективность цикла.

¶Мюонная томография

Мюоны космических лучей широко применяются в неразрушающем контроле. Мюонная томография (муография) основана на том, что мюоны, проходя через плотные объекты, испытывают рассеяние и поглощение, зависящие от плотности и атомного номера материала. Метод используется для:

• обследования вулканических жерл (впервые применён в 1950-х годах для поиска магматических камер);
• контроля ядерных реакторов и отработанных топливных элементов;
• поиска скрытых полостей и тоннелей;
• проверки грузов на наличие плотных включений.

В России мюонная томография применяется на объектах атомной промышленности и в археологических исследованиях.

¶Мюонный спиновый резонанс

Техника мюонного спинового резонанса (μSR) использует мюоны как зонды для исследования магнитных свойств вещества. Мюон, остановившийся в образце, сохраняет спин в течение своего времени жизни, а распадающиеся электроны испускаются преимущественно вдоль направления спинового момента мюона. Измеряя угловое распределение электронов, восстанавливают прецессию мюонного спина под действием локальных магнитных полей. Метод применяется в физике конденсированного состояния, сверхпроводимости и магнетизма.

¶Мюон как инструмент проверки Стандартной модели

Измерение аномального магнитного момента мюона (g−2) является одним из точнейших тестов Стандартной модели. Расхождение теоретического предсказания и экспериментальных данных, наблюдавшееся на протяжении десятилетий, рассматривалось как возможный признак новой физики за пределами Стандартной модели. В 2023 году после пересчёта теоретической величины с учётом адронных вкладов расхождение существенно уменьшилось, однако вопрос окончательно не закрыт — продолжаются работы на коллайдере Fermilab и планируется эксперимент J-PARC в Японии.

¶Мюоны и космические лучи

Поток мюонов на уровне моря составляет примерно 1 частицу на см² в минуту. Мюоны составляют основную ионизирующую составляющую космических лучей у поверхности Земли. Их наличие в космических лучах было одним из первых указаний на существование частиц промежуточной массы. Мюоны космических лучей используются для радиографии больших объектов, включая пирамиды Египта и реакторы АЭС.

Источники:

• «Курс общей физики» Ландсберг, том 5
• Particle Data Group — Review of Particle Physics
• Anderson C. D., Neddermeyer S. H. // Physical Review, 1936
• «Элементарные частицы» Б.М. Барбашов, В.А. Матвеев
• Физический энциклопедический словарь