Мюон

Распад мюона происходит под действием слабого взаимодействия: мюон распадается на мюонное нейтрино и W^--бозон (виртуальный), что в свою очередь быстро распадается на электрон и электронное антинейтрино. Такой распад является одной из форм бета-распада[14]. Иногда (примерно в одном проценте случаев) вместе с этими частицами образуется фотон, а в одном случае из 10000 — ещё один электрон и позитрон[12].

Теоретически, мюон может распасться на электрон и фотон, если при распаде мюонное нейтрино осциллирует, однако вероятность этого крайне мала — порядка 10⁻⁵⁰ согласно теоретическим расчётам[15]. Экспериментально установлено, что доля этого канала меньше 5,7 × 10 ⁻¹³%[12]. Впрочем, возможно, такой распад является более вероятным для связанного мюона, вращающийся вокруг ядра[16].

Также есть неподтвержденные гипотезы существования других экзотических каналов распада мюона, таких как распад на электрон и майорон[17], или на электрон и бозон[18].

Наиболее привычным является распад заряженных пи-мезонов и K-мезонов на мюон и мюонное антинейтрино, иногда с образованием нейтральных частиц:

${\displaystyle \pi ^{-}\to \mu ^{-}{\bar {\nu _{\mu }}}}$[19] (99 % распадов)

${\displaystyle K^{-}\to \mu ^{-}{\bar {\nu _{\mu }}}}$[20] (64 % распадов)

${\displaystyle K^{-}\to \pi ^{0}\mu ^{-}{\bar {\nu _{\mu }}}}$ (3 % распадов)

Эти реакции являются основными каналами распада этих частиц. Другие заряженные мезоны также активно распадаются с образованием мюонов, хотя и с меньшей вероятностью, например, при распаде заряженного D-мезона мюон образуется лишь в 18 % случаев[21]. Распад пионов и каонов — это основной источник мюонов в космических лучах и ускорителях.

Нейтральные мезоны могут распадаться на пару мезон-антимезон, нередко с образованием гамма-кванта или нейтрального пиона. Однако вероятность таких распадов, как правило, меньше:

${\displaystyle \eta \to \mu ^{-}\mu ^{+}\gamma }$[22] (0,03 % Распадов)

${\displaystyle \rho \to \mu ^{-}\mu ^{+}}$[23] (0,005 % Распадов)

Для более тяжёлых мезонов вероятность появления мюона увеличивается — например, D⁰-мезон образует их в 6,7 % случачх[24].

Мюон может образовываться при распаде барионов, однако вероятность этого процесса обычно низка. В качестве примера можно привести такие реакции:

${\displaystyle \Xi ^{-}\to \Lambda \mu ^{-}{\bar {\nu _{\mu }}}}$ (0,03 % распадов)[25]

${\displaystyle \Lambda ^{0}\to p\mu ^{-}{\bar {\nu _{\mu }}}}$ (0,015 % распадов)[26]

Тяжёлые нейтральные бозоны иногда распадаются на мюон-антимюонную пару:

${\displaystyle Z^{0}\to \mu ^{-}\mu ^{+}}$ (3 % распадов)[27]

${\displaystyle H^{0}\to \mu ^{-}\mu ^{+}}$[28]

А заряженные бозоны, на пару мюон-антинейтрино:

${\displaystyle W^{-}\to \mu ^{-}{\bar {\nu _{\mu }}}}$ (11 % распадов)[29]

Тау-частица, единственный известный лептон, что тяжелее мюон, с вероятностью в 17 % распадается на мюон, тау-нейтрино и антимюонное нейтрино[30].

Важной реакцией, в которой участвует мюон является мюонный захват. При попадании мюонов в вещество, они захватываются атомами, и постепенно опускаются на К-орбиталь с излучением фотонов. Радиус этой орбитали в 200 раз меньше, чем соответствующей орбитали электрона, поэтому значительное время мюон находится непосредственно в ядре[31]. Поэтому, мюон быстро захватывается ядром, взаимодействуя с протоном по схеме:

${\displaystyle \mu ^{-}+p\to n+\nu _{\mu }}$ .

На кварковом уровне эта реакция проходит как[13]:

${\displaystyle \mu ^{-}+u\to d+\nu _{\mu }}$ .

Для лёгких ядер (Z <30) вероятность захвата пропорциональна Z⁴. Для более тяжелых атомов радиус орбиты мюона становится меньше радиус ядра, поэтому дальнейшее увеличение ядра не влияет на интенсивность реакции.

Заряд электрона равен заряду мюона и тау-частицы, а в продуктах распада W-бозона и Z-бозона они встречаются с одинаковой вероятностью. Из-за этого, разница между любыми реакциями с участием различных лептонов может быть вызвана только различиями в их массе, а не в механизме распада, а потому в большинстве реакций мюон может заменять электрон и наоборот. Эта особенность называется лептонной универсальностью.

Впрочем, данные эксперимента LHCb по редким полулептонным распадам B-мезонов могут свидетельствовать о том, что лептонная универсальность всё-таки может нарушаться[32][33].

Основной сложностью, что мешает строить генераторы на базе ядерного синтеза являются высокие температуры, к которым должна быть нагрета водородная плазма, чтобы ядра могли преодолеть кулоновский барьер, и приблизиться на расстояние, на котором начнут действовать ядерные силы.

Система с протоном и мюоном, то есть, мезоводород, имеет размеры в сотни раз меньше атома, и при этом мезон полностью экранирует заряд ядра. Таким образом, мезовододород ведёт себя как большой нейтрон и может проникать через электронные оболочки других атомов. Благодаря этому, ядра водорода могут приближаться на расстоянии, достаточные для того, чтобы между ними произошла реакция ядерного синтеза. После реакции, мюон имеет большой шанс оторваться от образованного ядра, и присоединиться к другому, повторяя весь цикл, служа, таким образом, катализатором процесса.

В случае реакций D-T (дейтерия-тритий), процесс проходит следующим образом: мезодейтерий и тритий образуют мезомолекулу. Среднее расстояние между ядрами недостаточно для начала реакции, однако, поскольку атомы колеблются вокруг положения равновесия в момент наибольшего сближения, расстояние между ними становится достаточной для того, чтобы ядра туннелировали через кулоновский барьер. Расчёты показывают, что среднее время термоядерной реакции на шесть порядков меньше времени жизни мюона. Однако в среднем один мюон может катализировать не миллион реакций, а лишь порядка 100—150. Это связано с тем, что после образования ядра гелия-4 и нейтрона, мюон имеет шанс примерно в 1 % «прилипнуть» к гелию, и прекратить свою дальнейшую каталитическую деятельность. Этот процесс называют «отравлением» катализатора.

Энергия, выделяющаяся за 100 D-T реакций равна 2000 МэВ, что, хотя и значительно больше 100 МэВ (энергия, затрачиваемая на образование мюона), из-за высоких сопутствующих потерь, процесс остаётся энергетически невыгодным.

Одним из способов увеличить энергетический выход является использование потока нейтронов, образующихся при синтезе, для облучения уранового бланкета, что будет вызывать деление ядра урана, или превращение его в плутоний[38].

Благодаря космическим лучам на Землю постоянно падает поток мюонов — в среднем на один квадратный сантиметр земной поверхности падает одна частица в минуту[39]. Если поставить мюонные детекторы над и под некоторым объектом, можно по разнице интенсивности мюонов сделать выводы относительно его внутренней структуры. От более привычной рентгенографии, мюонная томография отличается несколькими важными параметрами[40]:

• Мюоны поглощаются значительно слабее гамма-лучей, поэтому с их помощью можно «просвечивать» большие твёрдые объекты размером нескольео сотен метров, или достаточно толстые слои металла.
• мюонного томография — пассивный метод анализа. Он использует только природный мюонный фон, а следовательно, не несёт никакой дополнительной опасности для здоровья.

Главный минус этой методики заключается в том, что контрастное изображение может потребовать много времени, дни или недели, потому что природный мюонный фон является невысоким.

В 1967—1968 годах часть пирамиды Хефрена была исследована таким образом, с целью поиска потайных комнат (их не нашли).

Более современная вариация этой методики, томография мюонного рассеивания, фиксирует не только поглощение мюонов, но и их рассеивание, которое происходит значительно чаще. Для этого каждый детектор, стоит над и под объектом, должен фиксировать его траекторию. Чем больше атомная масса вещества, тем сильнее она отклоняет мюоны, поэтому этот метод позволяет эффективно выявлять тяжелые металлы, такие как уран, используемый для борьбы с ядерной контрабандой[41].

Существуют предложения построения коллайдера мюонов и антимюонов, которые могли бы заменить электрон-позитронные коллайдеры[42]. Электроны из-за своей низкой массы теряют значительную часть своей энергии на синхротронное излучение (особенно это актуально в кольцевых коллайдерах), поэтому строительство электрон-позитронных колайдеры с энергией выше 100 ГэВ является неоправданным. Мюоны, как тяжелые лептоны, лишены этой проблемы, что позволило бы достичь энергий столкновений в несколько ТэВ. К тому же так мюоны имеют большую массу, в мюонных коллайдере сечение образования бозонов Хиггса является большим, чем в электрон-позитронных коллайдере. Это бы позволило изучать бозоны Хиггса с большой точностью. Однако, техническая реализация таких проектов затруднена из-за короткого времени жизни мюонов и проблему получения интенсивного пучка мюонов за это очень короткое время.

Для наблюдения за атмосферными, гелоисферными и магнитосферными явлениями используется мюонный годоскоп, который получает мюонограмму, регистрирующую интенсивность прилета мюонов, генерируемых космическими лучами, с разных направлений.[43]