Мюон — это элементарная частица, которая очень похожа на электрон, но при этом гораздо массивнее его. Ее открыли еще в первой половине ХХ века и сначала подозревали, что это — нечто совсем другое. Разберемся во всем по порядку, чтобы понять, почему мюоны так важны для нас.
В поисках мезона
Некоторое время назад появилось известие о том, что ученые разгадали тайну избытка мюонов, которые достигают поверхности Земли. Однако для многих даже существование такого типа частиц оказалось сенсацией. Поэтому давайте разберемся, откуда они взялись.
После того, как в самом начале ХХ века Нильс Бор предложил свою планетарную модель атома, ученые были уверены, что все вещество во Вселенной можно свести к трем составляющим: протонам, нейтронам и электронам. Однако в 1935 году молодой японский физик Хидэки Юкава задумался над вопросом, почему протоны и нейтроны в ядре атома держатся вместе.
Юкава пришел к выводу, что должна быть какая-то неизвестная частица, которая обеспечивает существование сильного взаимодействия между составляющими ядра. При этом физик предположил, что такая частица должна иметь массу с промежуточным значением между очень тяжелым протоном и легким электроном. Из-за этого новая частица получила название мезон, что происходит от латинского слова «средний».
Поиски мезона продолжались недолго. Уже в 1937 году физики Карл Андерсон и Сет Неддермаер во время исследования космических лучей обнаружили частицы, которые магнитным полем отклонялись сильнее протонов, но слабее электронов. На первый взгляд, это была та самая частица, которую предсказал Юкава.
Однако уже в 1942 году трое его соотечественников усомнились, что это действительно так, а уже в 1947 году была найдена совсем другая частица промежуточной массы, которая значительно лучше подходила на роль переносчика сильного взаимодействия. Чтобы не путаться, ее назвали пи-мезоном, а то, что в 1937 году нашли Андерсон и Неддермайер, получило название мю-мезона.
Позже физики начали открывать в ускорителях все новые и новые мезоны, и обнаружилась странная вещь. Между собой и с пи-мезоном они имели очень много общего, а тот, что был открыт в 1937 году, будто был совсем другой частицей.
Главное отличие того, что со временем стали называть уже не мю-мезоном, а просто мюоном, от остальных частиц состояло в том, что он вообще не вступал во взаимодействие с частицами ядра. То есть он совершенно точно не был тем, что предсказал Юкава, а скорее представлял собой тяжелую разновидность электрона.
Свойства мюона
В середине ХХ века сложилось то, что сейчас известно как Стандартная модель. Вся материя Вселенной в ней сводится к 17 частицам, причем мезонов среди них нет. Переносчиками сильного взаимодействия являются глюоны. Пи-, К- и другие открытые «мезоны» оказались вовсе не фундаментальными частицами. Они состоят из кварков — тех же компонентов, что и протоны с нейтронами.
А вот мюон оказался настоящей элементарной частицей. Правда, его название сохранилось скорее по историческим причинам и никакого смысла уже давно не несет. В Стандартной модели кварки и лептоны разделены на три поколения, каждое из которых представляет собой более тяжелую версию предыдущего. Электрон является лептоном первого поколения. Мюон — второго и он в 207 раз тяжелее своего «младшего брата». Есть еще частица третьего поколения — таон, и каждому из поколений соответствует свое нейтрино.
При этом мюон, как и электрон, имеет единичный отрицательный заряд и в большинстве случаев ведет себя так же, но при этом является нестабильной частицей. Преимущественно он рождается из еще менее стабильных пи- и К-мезонов, которые образуются при бомбардировке молекул верхних слоев атмосферы высокоэнергетическими фотонами.
Время жизни мюона составляет всего лишь 2,2 микросекунды. После этого он распадается на мюонное нейтрино и W—-бозон, а последний — на электрон и электронное антинейтрино. Примерно в одном проценте случаев вместе с этими частицами образуется еще и фотон, а раз в 10 тыс. случаев — электрон и позитрон.
При этом мюоны, образовавшиеся в верхних слоях атмосферы, движутся к Земле со скоростью, близкой к световой, и не только достигают ее, но и могут углубляться на сотни метров прежде чем распадутся. Каждую минуту сквозь 1 м2 поверхности нашей планеты проходит до 10 тыс. мюонов, но мы этого не замечаем, поскольку они очень слабо взаимодействуют с веществом.
Именно с рождением мюонов в верхних слоях атмосферы связано недавнее исследование, которое наделало немало шума. Их там образуется больше, чем ранее было предсказано теорией. И вот теперь ученые нашли этому объяснение.
Однако человечество уже давно получает мюоны не только из этого природного источника. В ряде случаев на мюоны и другие частицы могут распадаться некоторые тяжелые барионы, бозоны и даже протоны и нейтроны. Однако преимущественно их все же получают при распаде тау-частиц, которые являются единственными лептонами, тяжелее их.
Мюонное вещество
Причиной того, что мюоны так слабо взаимодействуют с остальным веществом и благодаря этому могут относительно свободно проходить сквозь очень плотные материалы, является то, что они, несмотря на достаточно большую массу, в отличие от протонов и нейтронов, не участвуют в сильном взаимодействии.
Однако все это вовсе не означает, что они не могут входить в его состав. Мюоны могут, подобно электронам, занимать позиции на орбиталях атомов. Правда, из-за их массы это должны быть очень особые орбитали, которые находятся примерно в 200 раз ближе к ядру, чем электронные.
Вследствие этого мюоны могут в какой-то момент вступить в реакцию с протонами с образованием нейтронов и мюонных нейтрино. Однако, даже если этого не произойдет, время их существования на орбитали ограничено теми же 2,2 мкс. То есть все вещества, полученные таким способом, недолговечны.
Вещество на основе мюонов, точнее их античастиц, можно образовать и совсем другим способом. В этом случае дополнительно заряженный антимюон играет роль протона. А обычный электрон попадает на его орбиталь. Образуется нечто похожее на облегченную версию атома водорода. Такое вещество называется мюонием.
Наконец может существовать такая удивительная форма вещества, как димюоний, или же настоящий мюоний. Эти экзотические атомы представляют собой пару из мюона и антимюона, соединенных вместе. Хотя возможность существования таких объектов подтверждена теоретически, до сих пор они никогда и нигде не наблюдались.
Мюонный катализ
Все вышеописанное очень интересно. Но возникает вопрос: есть ли у мюонов какое-то практическое применение? И главным ответом на него является термоядерный синтез. Именно этот тип реакций сулит человечеству море относительно недорогой и чистой энергии, запасы топлива для добычи которой закончатся еще очень нескоро.
Проблема лишь в том, что протонам для того, чтобы слиться вместе, надо преодолеть силы отталкивания, которые существуют между одноименно заряженными частицами. На Солнце это достигается благодаря очень высоким температуре и давлению, воссоздать которые на Земле не удается уже десятки лет.
И один из главных кандидатов на решение этой проблемы — мюонный катализ. Как уже было сказано, мюон может замещать единственный электрон в атоме водорода. Он большой, отрицательно заряженный, поэтому силы отталкивания между таким атомом и другим, нормальным, значительно ниже, и температуру, которая необходима, вполне возможно достичь.
Что еще интереснее, в самих реакциях синтеза мюон участия не принимает. Он просто перелетает к следующему атому, и процесс повторяется снова. Теоретически за время своего существования в 2,2 микросекунды мюон мог бы выступить катализатором один миллион раз. Это означает выделение энергии, намного превышающей затраты на его синтез.
На практике же примерно в 1% актов синтеза мюон «прилипает» к ядру, соответственно эта цифра составляет 100–150 раз за время жизни одной частицы. Как следствие, энергетический выход значительно слабее. Соответственно, такая реакция является энергетически невыгодной.
Правда, недавно появилась научная работа, в которой доказывается, что предыдущие исследования не учитывали тепло, которое несет поток мюонов. Если учесть и его, то можно достичь значительно большего количества делений на один мюон, и таким образом эта реакция становится энергетически выгодной.
Другие применения
Однако катализом термоядерных реакций применение мюонов не ограничивается. Как уже было сказано, те из них, что образуются в верхних слоях атмосферы, достаточно просто проходят сквозь верхний слой земли и все, что на нем находится. Но они все же взаимодействуют с препятствиями достаточно сильно для того, чтобы этот эффект можно было измерить.
Именно на этом явлении базируется эффект мюонного детектора. Он способен выявлять скрытую структуру объектов, через которые проходят частицы значительно эффективнее и безопаснее, чем любой рентгеновский аппарат. Ранее эту технику применяли для поиска камер в египетских пирамидах, а сейчас хотят использовать для исследования состояния моста Патона.
Также существует проект мюонного коллайдера. Нынешние ускорители работают, сталкивая между собой различные частицы, и тем самым достигают высоких энергий, при которых может родиться что-то, чего мы не видели до сих пор.
Особенно при этом ценятся столкновения электронов, поскольку считается, что они не имеют внутренней структуры, а значит, результаты можно трактовать более или менее четко. Однако увеличение мощности этих устройств ограничено потерями энергии на синхротронное излучение.
И вот здесь на сцену выходят очень похожие на электроны, но значительно более тяжелые мюоны, у которых эти потери будут относительно низкими. Вполне возможно, что именно на таких устройствах в будущем будут получены новые важные для физики результаты.
Мюон — очень необычная частица, которая действительно имеет набор характеристик, которые присущи и электронам, и протонам. Возможно, в какой-то степени она действительно является мезоном, хотя и не в том смысле, который имел в виду Юкава. Вполне возможно, что в будущем ей найдут новые интересные применения.
