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Muón

Un muón ( / ˈ m ( j ) uː ɑː n / M(Y)OO -on ; de la letra griega mu (μ) utilizada para representarlo) es una partícula elemental similar al electrón , con una carga eléctrica de −1  e y espín -1/2 , pero con una masa mucho mayor. Se clasifica como un leptón . Al igual que con otros leptones, no se cree que el muón esté compuesto de partículas más simples.

El muón es una partícula subatómica inestable con una vida media de2,2  μs , mucho más larga que muchas otras partículas subatómicas. Al igual que con la desintegración del neutrón libre (con una vida útil de alrededor de 15 minutos), la desintegración del muón es lenta (según los estándares subatómicos) porque la desintegración está mediada solo por la interacción débil (en lugar de la interacción fuerte o interacción electromagnética más poderosa ), y porque la diferencia de masa entre el muón y el conjunto de sus productos de desintegración es pequeña, lo que proporciona pocos grados cinéticos de libertad para la desintegración. La desintegración 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 de igual masa y espín: el antimuón (también llamado muón positivo ). Los muones se denotan por
micras−
y antimuones por
micras+
. Anteriormente, los muones se llamaban mesones mu , pero los físicos de partículas modernos no los clasifican como mesones (véase § Historia) , y la comunidad física ya no utiliza ese nombre.

Los muones tienen una masa de105,66  MeV/ c 2 , que es aproximadamente206.768 2827 (46) ‍ [ 6] veces la del electrón, m e . También hay un tercer leptón, el tau , aproximadamente 17 veces más pesado que el muón.

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

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

Al igual que los demás leptones cargados, el muón tiene un neutrino muónico asociado , denotado por
no
micras, que se diferencia 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 . Tenían carga negativa pero se curvaban menos bruscamente que los electrones, pero más bruscamente que los protones , para partículas de la misma velocidad. Se asumió que la magnitud de su carga eléctrica negativa era igual a la del electrón, y por lo tanto, para explicar la diferencia en la curvatura, se supuso que su masa era mayor que la de un electrón pero menor que la de un protón. Por lo tanto, Anderson inicialmente llamó a la nueva partícula mesotrón , adoptando el prefijo meso- de la palabra griega para "medio". La existencia del muón fue confirmada en 1937 por el experimento de la cámara de nubes de JC Street y EC Stevenson . [7]

Una partícula con una masa en el rango del mesón había sido predicha antes del descubrimiento de cualquier mesón, por el teórico Hideki Yukawa : [8]

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

Debido a su masa, el mesón mu fue inicialmente considerado como la partícula de Yukawa y algunos científicos, incluido Niels Bohr , lo llamaron originalmente yukón . El hecho de que el mesotrón (es decir, el muón) no fuera la partícula de Yukawa fue establecido en 1946 por un experimento realizado por Marcello Conversi , Oreste Piccioni y Ettore Pancini en Roma. En este experimento, que Luis Walter Alvarez llamó el "inicio de la física de partículas moderna" en su discurso Nobel de 1968, [9] demostraron que los muones de los rayos cósmicos se desintegraban sin ser capturados por los núcleos atómicos, al contrario de lo que esperaba el mediador de la fuerza nuclear postulado por Yukawa. La partícula predicha por Yukawa, el mesón pi , fue finalmente identificada en 1947 (de nuevo a partir de interacciones de rayos cósmicos).

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

A medida que más tipos de mesones fueron descubiertos en experimentos con aceleradores, finalmente se encontró 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 estaban obligados a hacerlo, en la teoría de Yukawa). Los mesones más nuevos también mostraron evidencia de comportarse como el mesón pi en 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 solo uno u otro, como se observó en la desintegración de otros mesones cargados.

En el Modelo Estándar de física de partículas codificado en la década de 1970, todos los mesones excepto el mesón mu se consideraban hadrones , es decir, partículas formadas por quarks , y por lo tanto sujetos a la fuerza nuclear. En el modelo de quarks, un mesón ya no se definía por su masa (ya que se había descubierto que algunos 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). Sin embargo, los mesones mu 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 quarks de estructura de partículas.

Con este cambio de definición, el término mesón mu fue abandonado y reemplazado siempre que fue posible por el término moderno muón , haciendo del término "mesón mu" solo una nota histórica. En el nuevo modelo de quarks, otros tipos de mesones a veces continuaron siendo mencionados con una terminología más corta (por ejemplo, pión por mesón pi), pero en el caso del muón, mantuvo el nombre más corto y nunca más fue mencionado correctamente con la antigua terminología de "mesón mu".

El reconocimiento final 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 célebremente: "¿Quién ordenó eso?" [10].

En el experimento de Rossi-Hall (1941), se utilizaron muones para observar la dilatación del tiempo (o, alternativamente, la contracción de la longitud ) predicha por la relatividad especial , por primera vez. [11]

Fuentes de muones

Muón de rayos cósmicos que pasa a través del plomo en una cámara de nubes

Los muones que llegan a la superficie de la Tierra se crean indirectamente como productos de desintegración de las colisiones de rayos cósmicos con partículas de la atmósfera terrestre. [12]

Cada metro cuadrado de la superficie terrestre alcanza unos 10.000 muones por minuto; estas partículas cargadas se forman como subproductos de los rayos cósmicos que chocan con las moléculas de la atmósfera superior. Viajando a velocidades relativistas, los muones pueden penetrar decenas de metros en las rocas y otros materiales antes de atenuarse como resultado de la absorción o desviación por otros átomos. [13]

Cuando un protón de un rayo cósmico impacta con 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 en aproximadamente la misma dirección que el protón original, a una velocidad cercana a la velocidad de la luz . Aunque su vida útil sin efectos relativistas permitiría una distancia de semisupervivencia de solo unos 456 metros (2,197 μs × ln(2) × 0,9997 × c ) como máximo (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 los 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 ( sistema inercial ) del muón, por otra parte, es el efecto de contracción de longitud de la relatividad especial el que permite esta penetración, ya que en el sistema del muón su vida no se ve afectada, pero la contracción de longitud hace que las distancias a través de la atmósfera y la Tierra sean mucho más cortas que estas distancias en el sistema de reposo de la Tierra. Ambos efectos son formas igualmente válidas de explicar la inusual supervivencia del muón rápido a través de las distancias.

Como los muones tienen una capacidad de penetración inusual en la materia ordinaria, al igual que los neutrinos, también se pueden detectar a gran profundidad (700 metros en el detector Soudan 2 ) y bajo el agua, donde constituyen una parte importante de la radiación ionizante natural de fondo. Al igual que los rayos cósmicos, como se ha señalado, esta radiación secundaria de muones también es direccional.

La misma reacción nuclear descrita anteriormente (es decir, los impactos hadrón-hadrón para producir haces de piones, que luego se desintegran rápidamente en haces de muones en distancias cortas) es utilizada por los físicos de partículas para producir haces de muones, como el haz utilizado para el experimento del muón g −2 . [14]

Desintegración del muón

La desintegración más común del muón

Los muones son partículas elementales inestables y son más pesados ​​que los electrones y los neutrinos, pero más ligeros que todas las demás partículas materiales. Se desintegran mediante 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 del muón debe ser un neutrino de tipo muón y el otro un antineutrino de tipo electrónico (la desintegración del antimuón produce las antipartículas correspondientes, como se detalla a continuación).

Como la carga debe conservarse, uno de los productos de la desintegración del muón es siempre un electrón con la misma carga que el muón (un positrón si es un muón positivo). Por lo tanto, todos los muones se desintegran 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 desintegración dominante del muón (a veces llamado desintegración de Michel en honor a Louis Michel ) es el más simple posible: el muón se desintegra en un electrón, un antineutrino electrónico y un neutrino muónico. Los antimuones, en forma especular, se desintegran con mayor frecuencia en las antipartículas correspondientes: un positrón , un neutrino electrónico y un antineutrino muónico. En términos formales, estas dos desintegraciones son:


micras−
→
mi−
+nomi+
no
micras

micras+
→mi++
no
mi+
no
micras

La vida media, τ = ħ / Γ , del muón (positivo) es2,196 9811 ± 0,000 0022  μs . [4] La igualdad de las duraciones de vida de los muones y antimuones se ha establecido en más de una parte en 10 4 . [15]

Descomposiciones prohibidas

Ciertos modos de desintegración sin neutrinos están cinemáticamente permitidos pero, a todos los efectos prácticos, están prohibidos en el Modelo Estándar , incluso si los neutrinos tienen masa y oscilan. Ejemplos prohibidos por la conservación del sabor leptónico son:


micras−
→
mi−
+
gamma

y


micras−
→
mi−
+
mi+
+
mi−
.

Teniendo en cuenta la masa del neutrino, una desintegración como
micras−
→
mi−
+
gamma
Es técnicamente posible en el Modelo Estándar (por ejemplo, mediante la oscilación de un neutrino muónico virtual en un neutrino electrónico), pero tal desintegración es sumamente improbable y, por lo tanto, debería ser inobservable experimentalmente. Menos de una de cada 10 50 desintegraciones de muones debería producir tal desintegración.

La observación de tales modos de desintegración constituiría una evidencia clara de teorías más allá del Modelo Estándar . Los límites superiores para las fracciones de ramificación de tales modos de desintegración se midieron en muchos experimentos que comenzaron hace más de 60 años. El límite superior actual para la
micras+
→
mi+
+
gamma
La fracción de ramificación se midió entre 2009 y 2013 en el experimento MEG y es4,2 × 10 −13 . [16]

Tasa de decaimiento teórica

El ancho de desintegración del muón que se desprende de la regla de oro de Fermi tiene 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 la cuarta potencia inversa de la energía. Mediante el análisis dimensional, esto conduce a la regla de Sargent de dependencia de la quinta potencia de m μ , [17] [18]

donde , [18] y:

es la fracción de la energía máxima transmitida al electrón.

Las distribuciones de desintegración del electrón en las desintegraciones del muón se han parametrizado utilizando los llamados parámetros de Michel. Los valores de estos cuatro parámetros se predicen de forma inequívoca en el Modelo Estándar de la física de partículas, por lo que las desintegraciones del muón representan una buena prueba de la estructura espaciotemporal de la interacción débil . Hasta el momento no se ha encontrado ninguna desviación de las predicciones del Modelo Estándar.

Para la desintegración del muón, la distribución de desintegración 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 electrón de desintegración, y es la fracción de muones que están polarizados hacia delante. Al integrar esta expresión sobre la energía del electrón se obtiene la distribución angular de los electrones hijos:

La distribución de energía de los 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 en sentido opuesto al espín del muón (un vector axial ), la desintegración es un ejemplo de no conservación de la paridad por la interacción débil. Esta es esencialmente la misma firma experimental que se utilizó en la demostración original . De manera más general, en el Modelo Estándar, todos los leptones cargados se desintegran a través de la interacción débil y, de la misma manera, 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 mumésicos) al reemplazar un electrón en átomos ordinarios. Los átomos de hidrógeno muónicos son mucho más pequeños que los átomos de hidrógeno típicos porque la masa mucho mayor del muón le da una función de onda del estado fundamental mucho más localizada que la que se observa para el electrón. En 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. No obstante, en tales casos, el orbital del muón continúa siendo más pequeño y mucho más cercano al núcleo que los orbitales atómicos de los electrones.

Las mediciones espectroscópicas en hidrógeno muónico se han utilizado para producir una estimación precisa del radio del protón . [19] Los resultados de estas mediciones divergieron del valor aceptado en ese momento, dando lugar al llamado rompecabezas del radio del protón . Más tarde, este rompecabezas encontró su solución cuando se dispuso de nuevas mediciones mejoradas del radio del protón en el hidrógeno electrónico. [20]

El helio muónico se crea sustituyendo un muón por uno de los electrones del helio-4. El muón orbita mucho más cerca del núcleo, por lo que el helio muónico puede considerarse como un isótopo del helio cuyo núcleo consta de dos neutrones, dos protones y un muón, con un solo electrón fuera. 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. [21] [22] [23]

Los átomos de hidrógeno pesado muónico con un muón negativo pueden sufrir una fusión nuclear en el proceso de fusión catalizada por muones , después de lo cual el muón puede abandonar 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 ser capturados ( captura de muones ) mediante la fuerza débil por 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 muónico.

Átomos de muones positivos

Un muón positivo , 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 del hidrógeno con una novena parte de la masa del protón. Debido a que la masa del electrón es mucho menor que la masa tanto del protón como del muón, la masa reducida del muonio, y por lo tanto su radio de Bohr , es muy cercana a la del hidrógeno . Por lo tanto, este par muón-electrón ligado 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 formar parte de un átomo pi-mu de vida corta, que consta de un muón y un pión de carga opuesta. Estos átomos se observaron en la década de 1970 en experimentos en el Laboratorio Nacional de Brookhaven y el Fermilab . [24] [25]

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 la QED . El experimento E821 [26] en Brookhaven 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 confinante. La colaboración Muon g-2 informó [27] en 2021:

La predicción del valor del momento magnético anómalo del muón incluye tres partes:

a μ SM = a μ QED + a μ EW + a μ tenía .

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 a partir de interacciones débiles del Modelo Estándar y de contribuciones que involucran 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 nueva física más allá del Modelo Estándar , como la supersimetría . Por esta razón, el momento magnético anómalo del muón se utiliza normalmente como una sonda para nueva física más allá del Modelo Estándar en lugar de como una prueba de QED . [28] Muon  g −2 , un nuevo experimento en Fermilab que utiliza el imán E821 mejoró la precisión de esta medición. [29]

En 2020, un equipo internacional de 170 físicos calculó la predicción más precisa del valor teórico del momento magnético anómalo del muón. [30] [31]

Muón g−2

Muon g-2 es un experimento de física de partículas en Fermilab que mide el momento dipolar magnético anómalo de un muón con una precisión de 0,14 ppm, [32] [33] lo que constituye una prueba sensible del Modelo Estándar. [34] También podría proporcionar evidencia de la existencia de partículas completamente nuevas. [35]

En 2021, el Experimento Muon g−2 presentó sus primeros resultados de un nuevo promedio experimental que aumentó la diferencia entre el experimento y la teoría a 4,2 desviaciones estándar. [36]

Momento dipolar eléctrico

El límite experimental actual del momento dipolar eléctrico del muón , | d μ | < 1,9 × 10 −19  e·cm establecido por el experimento E821 en Brookhaven, es órdenes de magnitud superior a la predicción del Modelo Estándar. La observación de un momento dipolar eléctrico del muón distinto de cero proporcionaría una fuente adicional de violación de CP . Se espera una mejora en la sensibilidad de dos órdenes de magnitud por encima del 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 , la obtención de imágenes con muones se puede utilizar con materiales mucho más gruesos 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 enteros para detectar material nuclear blindado , así como explosivos u otro contrabando. [37]

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 [38] y en la década de 1960 para buscar posibles cámaras ocultas en la Pirámide de Kefrén en Giza . [39] 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. [40]

En 2003, los científicos del Laboratorio Nacional de Los Álamos desarrollaron una nueva técnica de obtención de imágenes: la tomografía por dispersión de muones . Con la tomografía por dispersión de muones, se reconstruyen las trayectorias de entrada y salida de cada partícula, como con tubos de deriva de aluminio sellados . [41] 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 adjudicado un contrato para utilizar sus detectores de seguimiento de muones en la recuperación del complejo nuclear de Fukushima . [42] Se propuso que el Fukushima Daiichi Tracker hiciera unos meses de mediciones de muones para mostrar la distribución de los núcleos del reactor. En diciembre de 2014, Tepco informó que utilizarían dos técnicas diferentes de obtención de imágenes de muones en Fukushima, el "método de escaneo de muones" en la Unidad 1 (la más dañada, donde el combustible puede haber salido del recipiente del reactor) y el "método de dispersión de muones" en la Unidad 2. [43] 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 la conversión de longitud de onda se iluminan cuando los muones entran en contacto con ellas. [44] Después de un mes de recopilación de datos, se espera revelar la ubicación y la cantidad de restos de combustible que aún quedan en el interior del reactor. Las mediciones comenzaron en febrero de 2015. [45]

Véase también

Referencias

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