Muon

Un muón (de la letra griega mu (μ) utilizada para representarlo) es una partícula elemental similar al electrón, con una carga eléctrica de −1 e y un espín de ¹ ⁄ ₂, pero con una masa mucho mayor. Se clasifica como un leptón. Al igual que con otros leptones, no se sabe que el muón tenga ninguna subestructura, es decir, no se cree que esté compuesto por partículas más simples.

El muón es una partícula subatómica inestable con una vida media de2,2 μs, mucho más que muchas otras partículas subatómicas. Al igual que con la descomposición del neutrón no elemental (con una vida útil de alrededor de 15 minutos), la descomposición del muón es lenta (según los estándares subatómicos) porque la descomposición está mediada solo por la interacción débil (en lugar de la interacción fuerte más poderosa o la interacción electromagnética), y porque la diferencia de masa entre el muón y el conjunto de sus productos de desintegración es pequeña, proporcionando pocos grados de libertad cinética para la desintegración. La descomposición del muón casi siempre produce al menos tres partículas, que deben incluir un electrón de la misma carga que el muón y dos tipos de neutrinos.

Como todas las partículas elementales, el muón tiene una antipartícula correspondiente de carga opuesta (+1 e) pero igual masa y espín: el antimuón (también llamado muón positivo). Los muones se denotan pormy antimuones porm. Anteriormente, los muones se llamaban mesones mu, pero los físicos de partículas modernos no los clasifican como mesones (ver § Historia), y la comunidad física ya no usa ese nombre.

Los muones tienen una masa de105,66 MeV/ c, que es aproximadamente 207 veces la del electrón, m _e. Más precisamente, es206.768 2830 (46) m _e Existe también un tercer leptón, el tau, aproximadamente 17 veces más pesado que el muón.

Debido a su mayor masa, los muones aceleran más lentamente que los electrones en los campos electromagnéticos y emiten menos bremsstrahlung (radiación de desaceleración). Esto permite que los muones de una determinada energía penetren mucho más profundamente en la materia porque la desaceleración de los electrones y los muones se debe principalmente a la pérdida de energía por el mecanismo de bremsstrahlung. Por ejemplo, los llamados muones secundarios, creados por los rayos cósmicos que golpean la atmósfera, pueden penetrar la atmósfera y llegar a la superficie terrestre de la Tierra e incluso a las minas profundas.

Debido a que los muones tienen una masa y una energía mayores que la energía de desintegración de la radiactividad, no se producen por desintegración radiactiva. Sin embargo, se producen en grandes cantidades en interacciones de alta energía en materia normal, en ciertos experimentos de aceleradores de partículas con hadrones y en interacciones de rayos cósmicos con la materia. Estas interacciones generalmente producen inicialmente mesones pi, que casi siempre se descomponen en muones.

Al igual que con los otros leptones cargados, el muón tiene un neutrino muón asociado, denotado porv_m, que difiere del neutrino electrónico y participa en diferentes reacciones nucleares.

Historia

Los muones fueron descubiertos por Carl D. Anderson y Seth Neddermeyer en Caltech en 1936, mientras estudiaban la radiación cósmica. Anderson notó partículas que se curvaban de manera diferente a los electrones y otras partículas conocidas cuando pasaban a través de un campo magnético. Estaban cargados negativamente pero se curvaban menos que los electrones, pero más que los protones, para partículas de la misma velocidad. Se supuso que la magnitud de su carga eléctrica negativa era igual a la del electrón y, por tanto, para explicar la diferencia de curvatura, se supuso que su masa era mayor que la de un electrón pero menor que la de un protón. Así, Anderson inicialmente llamó a la nueva partícula un mesotron, adoptando el prefijo meso-de la palabra griega para "medio-". La existencia del muón fue confirmada en 1937 por el experimento de cámara de niebla de JC Street y EC Stevenson.

El teórico Hideki Yukawa había predicho una partícula con una masa en el rango de los mesones antes del descubrimiento de cualquier mesón:

Parece natural modificar la teoría de Heisenberg y Fermi de la siguiente manera. La transición de una partícula pesada del estado de neutrón al estado de protón no siempre va acompañada de la emisión de partículas ligeras. La transición a veces es ocupada por otra partícula pesada.

Debido a su masa, inicialmente se pensó que el mesón mu era la partícula de Yukawa y algunos científicos, incluido Niels Bohr, lo llamaron originalmente yukon. La partícula predicha de Yukawa, el mesón pi, finalmente se identificó en 1947 (nuevamente a partir de interacciones de rayos cósmicos) y se demostró que difiere del mesón mu al tener las propiedades de una partícula que media la fuerza nuclear.

Ahora que se conocen dos partículas con masa intermedia, se adoptó el término más general mesón para referirse a cualquier partícula dentro del rango de masa correcto entre electrones y nucleones. Además, para diferenciar entre los dos tipos diferentes de mesones después de que se descubrió el segundo mesón, la partícula del mesotrón inicial se renombró como mesón mu (la letra griega μ [ mu ] corresponde a m), y el nuevo mesón de 1947 (partícula de Yukawa) fue nombrado el mesón pi.

A medida que se descubrieron más tipos de mesones en experimentos con aceleradores posteriores, finalmente se descubrió que el mesón mu difería significativamente no solo del mesón pi (de aproximadamente la misma masa), sino también de todos los demás tipos de mesones. La diferencia, en parte, era que los mesones mu no interactuaban con la fuerza nuclear, como lo hacían los mesones pi (y se requería que lo hicieran, en la teoría de Yukawa). Los mesones más nuevos también mostraron evidencia de comportarse como el mesón pi en las interacciones nucleares, pero no como el mesón mu. Además, los productos de desintegración del mesón mu incluían tanto un neutrino como un antineutrino, en lugar de uno u otro, como se observó en la desintegración de otros mesones cargados.

En el eventual modelo estándar de física de partículas codificado en la década de 1970, se entendía que todos los mesones, excepto el mesón mu, eran hadrones, es decir, partículas hechas de quarks, y por lo tanto estaban sujetos a la fuerza nuclear. En el modelo de quarks, un mesón ya no se definía por su masa (ya que se habían descubierto algunos que eran muy masivos, más que los nucleones), sino que eran partículas compuestas exactamente por dos quarks (un quark y un antiquark), a diferencia de los bariones, que se definen como partículas compuestas por tres quarks (los protones y los neutrones eran los bariones más ligeros). Los mesones Mu, sin embargo, habían demostrado ser partículas fundamentales (leptones) como los electrones, sin estructura de quarks. Por lo tanto, los "mesones" mu no eran mesones en absoluto, en el nuevo sentido y uso del término mesón.utilizado con el modelo de quark de estructura de partículas.

Con este cambio en la definición, el término mesón mu fue abandonado y reemplazado siempre que fue posible con el término moderno muon, haciendo que el término "mesón mu" sea solo una nota al pie histórica. En el nuevo modelo de quarks, a veces se seguía haciendo referencia a otros tipos de mesones con una terminología más corta (p. ej., pion por mesón pi), pero en el caso del muon, mantuvo el nombre más corto y nunca más se lo llamó apropiadamente por los antiguos. terminología "mu mesón".

El eventual reconocimiento del muón como un simple "electrón pesado", sin ningún papel en la interacción nuclear, parecía tan incongruente y sorprendente en ese momento, que el premio Nobel I. I. Rabi bromeó: "¿Quién ordenó eso?".

En el experimento de Rossi-Hall (1941), se utilizaron muones para observar por primera vez la dilatación del tiempo (o, alternativamente, la contracción de la longitud) predicha por la relatividad especial.

Fuentes de muones

Los muones que llegan a la superficie de la Tierra se crean indirectamente como productos de desintegración de colisiones de rayos cósmicos con partículas de la atmósfera terrestre.

Unos 10.000 muones alcanzan cada metro cuadrado de la superficie terrestre por minuto; estas partículas cargadas se forman como subproductos de los rayos cósmicos que chocan con las moléculas en la atmósfera superior. Viajando a velocidades relativistas, los muones pueden penetrar decenas de metros en las rocas y otras materias antes de atenuarse como resultado de la absorción o desviación de otros átomos.

Cuando un protón de rayos cósmicos impacta en los núcleos atómicos en la atmósfera superior, se crean piones. Estos se desintegran en una distancia relativamente corta (metros) en muones (su producto de desintegración preferido) y neutrinos muónicos. Los muones de estos rayos cósmicos de alta energía generalmente continúan aproximadamente en la misma dirección que el protón original, a una velocidad cercana a la de la luz. Aunque su tiempo de vida sin efectos relativistas permitiría una distancia de supervivencia media de solo unos 456 metros (2,197 µs × ln(2) × 0,9997 × c)a lo sumo (visto desde la Tierra) el efecto de dilatación del tiempo de la relatividad especial (desde el punto de vista de la Tierra) permite que los muones secundarios de rayos cósmicos sobrevivan al vuelo a la superficie de la Tierra, ya que en el marco de la Tierra los muones tienen una vida media más larga debido a su velocidad. Desde el punto de vista (marco inercial) del muón, por otro lado, es el efecto de contracción de la longitud de la relatividad especial lo que permite esta penetración, ya que en el marco del muón su tiempo de vida no se ve afectado, pero la contracción de la longitud provoca distancias a través de la atmósfera y La Tierra sea mucho más corta que estas distancias en el marco de reposo de la Tierra. Ambos efectos son formas igualmente válidas de explicar la supervivencia inusual del muón rápido a distancias.

Dado que los muones son inusualmente penetrantes en la materia ordinaria, como los neutrinos, también son detectables bajo tierra (700 metros en el detector Soudan 2) y bajo el agua, donde forman una parte importante de la radiación ionizante de fondo natural. Al igual que los rayos cósmicos, como se ha señalado, esta radiación secundaria de muones también es direccional.

Los físicos de partículas utilizan la misma reacción nuclear descrita anteriormente (es decir, impactos hadrón-hadrón para producir haces de piones, que luego se descomponen rápidamente en haces de muones en distancias cortas) para producir haces de muones, como el haz utilizado para el experimento muon g -2..

Decaimiento de muones

Los muones son partículas elementales inestables y son más pesados ​​que los electrones y los neutrinos, pero más ligeros que todas las demás partículas de materia. Se descomponen a través de la interacción débil. Debido a que los números de la familia leptónica se conservan en ausencia de una oscilación de neutrinos inmediata extremadamente improbable, uno de los neutrinos producto de la desintegración de muones debe ser un neutrino de tipo muón y el otro un antineutrino de tipo electrónico (la desintegración de antimuones produce las antipartículas correspondientes, como se detalla abajo).

Debido a que debe conservarse la carga, uno de los productos de la descomposición del muón es siempre un electrón de la misma carga que el muón (un positrón si es un muón positivo). Por lo tanto, todos los muones se descomponen en al menos un electrón y dos neutrinos. A veces, además de estos productos necesarios, se producen otras partículas adicionales que no tienen carga neta y espín cero (por ejemplo, un par de fotones o un par electrón-positrón).

El modo de decaimiento del muón dominante (a veces llamado decaimiento de Michel por Louis Michel) es el más simple posible: el muón se desintegra en un electrón, un antineutrino electrónico y un neutrino muón. Los antimuones, a modo de espejo, suelen decaer en las antipartículas correspondientes: un positrón, un neutrino electrónico y un antineutrino muónico. En términos formulaicos, estos dos decaimientos son:

El tiempo de vida medio, τ = ħ / Γ, del muón (positivo) es2,196 9811 ± 0,000 0022 μs. La igualdad de los tiempos de vida del muón y el antimuón se ha establecido en más de una parte en 10.

Decaimientos prohibidos

Ciertos modos de desintegración sin neutrinos están cinemáticamente permitidos pero, a todos los efectos prácticos, están prohibidos en el modelo estándar, incluso dado que los neutrinos tienen masa y oscilan. Los ejemplos prohibidos por la conservación del sabor de leptones son:

Para ser precisos: en el Modelo Estándar con masa de neutrino, un decaimiento como es técnicamente posible, por ejemplo, mediante la oscilación de neutrinos de un neutrino muón virtual en un neutrino electrónico, pero tal desintegración es astronómicamente improbable y, por lo tanto, debería ser experimentalmente inobservable: menos de una de cada 10 desintegraciones de muones debería producir tal desintegración.

La observación de tales modos de descomposición constituiría una clara evidencia para teorías más allá del Modelo Estándar. Los límites superiores para las fracciones de ramificación de tales modos de descomposición se midieron en muchos experimentos que comenzaron hace más de 50 años. El límite superior actual para el la fracción de ramificación se midió entre 2009 y 2013 en el experimento MEG y es4,2 × 10.

Tasa de descomposición teórica

El ancho de decaimiento del muón que se deriva de la regla de oro de Fermi tiene una dimensión de energía y debe ser proporcional al cuadrado de la amplitud y, por lo tanto, al cuadrado de la constante de acoplamiento de Fermi (), con una dimensión total de cuarta potencia inversa de energía. Por análisis dimensional, esto conduce a la regla de Sargent de dependencia de quinta potencia en m _μ,

donde , y:es la fracción de la energía máxima transmitida al electrón.

Las distribuciones de desintegración del electrón en la desintegración de muones se han parametrizado utilizando los llamados parámetros de Michel. Los valores de estos cuatro parámetros se predicen sin ambigüedades en el modelo estándar de física de partículas, por lo que las desintegraciones de muones representan una buena prueba de la estructura espacio-temporal de la interacción débil. Aún no se ha encontrado ninguna desviación de las predicciones del modelo estándar.

Para el decaimiento del muón, la distribución de decaimiento esperada para los valores del modelo estándar de los parámetros de Michel es

donde es el ángulo entre el vector de polarización del muón y el vector de momento del decaimiento del electrón, y es la fracción de muones que están polarizados hacia adelante. La integración de esta expresión sobre la energía de los electrones da la distribución angular de los electrones hijos:

La distribución de energía de electrones integrada sobre el ángulo polar (válida para ) es

Debido a que la dirección en la que se emite el electrón (un vector polar) está preferentemente alineada frente al espín del muón (un vector axial), la descomposición es un ejemplo de no conservación de la paridad por la interacción débil. Esta es esencialmente la misma firma experimental que se usó en la demostración original. De manera más general, en el modelo estándar, todos los leptones cargados se descomponen a través de la interacción débil y también violan la simetría de paridad.

átomos muónicos

El muón fue la primera partícula elemental descubierta que no aparece en los átomos ordinarios.

átomos de muones negativos

Los muones negativos pueden formar átomos muónicos (anteriormente llamados átomos mu-mésicos), reemplazando un electrón en los átomos ordinarios. Los átomos de hidrógeno muónico son mucho más pequeños que los átomos de hidrógeno típicos porque la masa mucho mayor del muón le da una función de onda de estado fundamental mucho más localizada que la que se observa para el electrón. En los átomos multielectrónicos, cuando solo uno de los electrones es reemplazado por un muón, el tamaño del átomo continúa siendo determinado por los otros electrones y el tamaño atómico casi no cambia. Sin embargo, en tales casos el orbital del muón sigue siendo más pequeño y mucho más cercano al núcleo que los orbitales atómicos de los electrones.

El helio muónico se crea sustituyendo un muón por uno de los electrones en el helio-4. El muón orbita mucho más cerca del núcleo, por lo que el helio muónico puede considerarse como un isótopo de helio cuyo núcleo consta de dos neutrones, dos protones y un muón, con un solo electrón en el exterior. Coloquialmente, podría llamarse "helio 4,1", ya que la masa del muón es ligeramente superior a 0,1 dalton. Químicamente, el helio muónico, que posee un electrón de valencia desapareado, puede unirse con otros átomos y se comporta más como un átomo de hidrógeno que como un átomo de helio inerte.

Los átomos de hidrógeno pesados ​​muónicos con un muón negativo pueden sufrir una fusión nuclear en el proceso de fusión catalizada por muones, después de que el muón abandone el nuevo átomo para inducir la fusión en otra molécula de hidrógeno. Este proceso continúa hasta que el muón negativo es capturado por un núcleo de helio, donde permanece hasta que se desintegra.

Los muones negativos unidos a átomos convencionales pueden capturarse (captura de muones) a través de la fuerza débil de los protones en los núcleos, en una especie de proceso similar a la captura de electrones. Cuando esto sucede, se produce una transmutación nuclear: el protón se convierte en un neutrón y se emite un neutrino muón.

Átomos de muones positivos

un positivoel muón, cuando se detiene en la materia ordinaria, no puede ser capturado por un protón ya que las dos cargas positivas solo pueden repelerse. El muón positivo tampoco es atraído por el núcleo de los átomos. En cambio, se une a un electrón aleatorio y con este electrón forma un átomo exótico conocido como átomo de muonio (mu). En este átomo, el muón actúa como núcleo. El muón positivo, en este contexto, puede considerarse un pseudoisótopo de hidrógeno con una novena parte de la masa del protón. Debido a que la masa del electrón es mucho más pequeña que la masa del protón y del muón, la masa reducida del muonio y, por lo tanto, su radio de Bohr, es muy similar a la del hidrógeno. Por lo tanto, este par muón-electrón unido puede tratarse en una primera aproximación como un "átomo" de vida corta que se comporta químicamente como los isótopos del hidrógeno (protio, deuterio y tritio).

Tanto los muones positivos como los negativos pueden ser parte de un átomo pi-mu de vida corta que consta de un muón y un pión con carga opuesta. Estos átomos se observaron en la década de 1970 en experimentos en Brookhaven y Fermilab.

Uso en la medición del radio de carga de protones.

Problema no resuelto de física:

¿Cuál es el verdadero radio de carga del protón?(más problemas sin resolver en física)

La técnica experimental que se espera proporcione la determinación más precisa de la raíz cuadrada media del radio de carga del protón es la medición de la frecuencia de los fotones (el "color" preciso de la luz) emitidos o absorbidos por las transiciones atómicas en el hidrógeno muónico. Esta forma de átomo de hidrógeno se compone de un muón cargado negativamente unido a un protón. El muón es particularmente adecuado para este propósito porque su masa mucho mayor da como resultado un estado ligado mucho más compacto y, por lo tanto, una mayor probabilidad de que se encuentre dentro del protón en el hidrógeno muónico en comparación con el electrón en el hidrógeno atómico.El cambio de Lamb en el hidrógeno muónico se midió conduciendo el muón desde un estado 2s hasta un estado excitado 2p usando un láser. En 2014, se informó que la frecuencia de los fotones necesarios para inducir dos transiciones de este tipo (ligeramente diferentes) era de 50 y 55 THz que, según las teorías actuales de electrodinámica cuántica (QED), arrojan un valor promedio apropiado de0.840 87 ± 0.000 39 fm para el radio de carga del protón.

El valor internacionalmente aceptado del radio de carga del protón se basa en un promedio adecuado de los resultados de mediciones más antiguas de los efectos causados ​​por el tamaño distinto de cero del protón en la dispersión de electrones por los núcleos y el espectro de luz (energías fotónicas) del hidrógeno atómico excitado. El valor oficial actualizado en 2014 es0,8751 ± 0,0061 fm (ver órdenes de magnitud para comparación con otros tamaños). La precisión esperada de este resultado es inferior a la del hidrógeno muónico en aproximadamente un factor de quince, pero difieren en aproximadamente 5,6 veces la incertidumbre nominal en la diferencia (una discrepancia llamada 5,6 σ en notación científica). Una conferencia de expertos mundiales en este tema llevó a la decisión de excluir el resultado del muón de influir en el valor oficial de 2014, para evitar ocultar la misteriosa discrepancia. Este "rompecabezas del radio del protón" seguía sin resolverse a fines de 2015 y ha llamado mucho la atención, en parte debido a la posibilidad de que ambas medidas sean válidas, lo que implicaría la influencia de alguna "nueva física".

Momento dipolar magnético anómalo

El momento dipolar magnético anómalo es la diferencia entre el valor observado experimentalmente del momento dipolar magnético y el valor teórico predicho por la ecuación de Dirac. La medición y predicción de este valor es muy importante en las pruebas de precisión de QED. El experimento E821 en el Laboratorio Nacional Brookhaven (BNL) y el experimento Muon g-2 en Fermilab estudiaron la precesión del espín del muón en un campo magnético externo constante mientras los muones circulaban en un anillo de almacenamiento de confinamiento. La colaboración Muon g-2 informó en 2021:.

La predicción del valor del momento magnético anómalo del muón incluye tres partes:un _μ = un _μ + un _μ + un _μ.

La diferencia entre los factores g del muón y el electrón se debe a su diferencia de masa. Debido a la mayor masa del muón, las contribuciones al cálculo teórico de su momento dipolar magnético anómalo de las interacciones débiles del modelo estándar y de las contribuciones que involucran a los hadrones son importantes en el nivel actual de precisión, mientras que estos efectos no son importantes para el electrón. El momento dipolar magnético anómalo del muón también es sensible a las contribuciones de la nueva física más allá del modelo estándar, como la supersimetría. Por esta razón, el momento magnético anómalo del muón se usa normalmente como una prueba para la nueva física más allá del modelo estándar en lugar de como una prueba de QED. muón g−2, un nuevo experimento en Fermilab usando el imán E821 mejoró la precisión de esta medición.

En 2020, un equipo internacional de 170 físicos calculó la predicción más precisa del valor teórico del momento magnético anómalo del muón.

En 2021, el Experimento Muon g−2 del Laboratorio Nacional de Aceleradores de Fermilab (FNAL) presentó los primeros resultados de un nuevo promedio experimental que aumentó la diferencia entre el experimento y la teoría a 4,2 desviaciones estándar.

Momento dipolar eléctrico

El límite experimental actual del momento dipolar eléctrico del muón, | re _m | < 1,9 × 10 e·cm establecido por el experimento E821 en el Laboratorio Brookhaven, está en órdenes de magnitud por encima de la predicción del modelo estándar. La observación de un momento dipolar eléctrico de muón distinto de cero proporcionaría una fuente adicional de violación de CP. Se espera una mejora en la sensibilidad de dos órdenes de magnitud sobre el límite de Brookhaven a partir de los experimentos en Fermilab.

Radiografía y tomografía de muones

Dado que los muones penetran mucho más profundamente que los rayos X o los rayos gamma, las imágenes de muones se pueden utilizar con material mucho más grueso o, con fuentes de rayos cósmicos, con objetos más grandes. Un ejemplo es la tomografía de muones comercial que se utiliza para obtener imágenes de contenedores de carga completos para detectar material nuclear blindado, así como explosivos u otro contrabando.

La técnica de radiografía de transmisión de muones basada en fuentes de rayos cósmicos se utilizó por primera vez en la década de 1950 para medir la profundidad de la sobrecarga de un túnel en Australia y en la década de 1960 para buscar posibles cámaras ocultas en la Pirámide de Chephren en Giza. En 2017, se informó del descubrimiento de un gran vacío (con una longitud mínima de 30 metros) mediante la observación de muones de rayos cósmicos.

En 2003, los científicos del Laboratorio Nacional de Los Alamos desarrollaron una nueva técnica de imagen: la tomografía de dispersión de muones. Con la tomografía de dispersión de muones, se reconstruyen las trayectorias de entrada y salida de cada partícula, como con los tubos de deriva de aluminio sellados. Desde el desarrollo de esta técnica, varias empresas han comenzado a utilizarla.

En agosto de 2014, Decision Sciences International Corporation anunció que Toshiba le había otorgado un contrato para el uso de sus detectores de seguimiento de muones en la recuperación del complejo nuclear de Fukushima. Se propuso el Fukushima Daiichi Tracker (FDT) para realizar unos meses de mediciones de muones para mostrar la distribución de los núcleos de los reactores. En diciembre de 2014, Tepco informó que utilizaría dos técnicas diferentes de obtención de imágenes de muones en Fukushima, el "método de exploración de muones" en la Unidad 1 (la más dañada, donde el combustible pudo haber salido de la vasija del reactor) y el "método de dispersión de muones" en Unidad 2.El Instituto Internacional de Investigación para el Desmantelamiento Nuclear IRID en Japón y la Organización de Investigación de Aceleradores de Alta Energía KEK llaman al método que desarrollaron para la Unidad 1 el "método de permeación de muones"; 1.200 fibras ópticas para conversión de longitud de onda se iluminan cuando los muones entran en contacto con ellas. Después de un mes de recopilación de datos, se espera revelar la ubicación y la cantidad de residuos de combustible que aún se encuentran dentro del reactor. Las mediciones comenzaron en febrero de 2015.