Мюон — це елементарна частинка, що дуже схожа на електрон, але при цьому набагато масивніша за нього. Її відкрили ще у першій половині ХХ століття і спочатку підозрювали, що це — дещо геть інше. Тож розберімось в усьому по черзі, аби зрозуміти, чому мюони такі важливі для нас.
У пошуках мезона
Деякий час тому з’явилася звістка про те, що вчені розгадали таємницю надлишку мюонів, які досягають поверхні Землі. Однак для багатьох навіть існування такого типу частинок виявилося сенсацією. Тож розберімося, звідки вони взялися.
Після того, як на самому початку ХХ століття Нільс Бор запропонував свою планетарну модель атома, вчені були впевнені, що усю речовину у Всесвіті можна звести до трьох складових: протонів, нейтронів та електронів. Однак 1935 року молодий японський фізик Хідекі Юкава замислився над питанням, чому протони та нейтрони в ядрі атома тримаються разом.
Юкава дійшов висновку, що має бути якась невідома частинка, яка забезпечує існування сильної взаємодії між складовими ядра. При цьому фізик припустив, що така частинка повинна мати масу з проміжним значенням між дуже важким протоном і легким електроном. Через це нова частинка отримала назву мезон, що походить від латинського слова «середній».
Пошуки мезона тривали недовго. Вже у 1937 році фізики Карл Андерсон та Сет Неддермаєр під час дослідження космічних променів виявили частинки, які магнітним полем відхилялися сильніше за протони, але слабше за електрони. На перший погляд, це була та сама частинка, яку передбачив Юкава.
Проте вже у 1942 році троє його співвітчизників засумнівалися, що це дійсно так, а вже у 1947-му була знайдена зовсім інша частинка проміжної маси, яка значно краще підходила на роль переносника сильної взаємодії. Для того, аби не плутатися, її назвали пі-мезоном, а те, що у 1937 році знайшли Андерсон та Неддермаєр, отримало назву мю-мезона.
Пізніше фізики почали відкривати у прискорювачах все нові й нові мезони, й виявилася дивна річ. Між собою і з пі-мезоном вони мали дуже багато спільного, а той, що був відкритий у 1937 році, ніби був зовсім іншою частинкою.
Головна відмінність того, що з часом почали називати вже не мю-мезоном, а просто мюоном, від решти частинок полягала в тому, що він взагалі не вступав у взаємодію з частинками ядра. Тобто він абсолютно точно не був тим, що передбачив Юкава, а скоріше являв собою важкий різновид електрона.
Властивості мюона
У середині ХХ століття склалося те, що зараз відоме як Стандартна модель. Вся матерія Всесвіту в ній зводиться до 17 частинок, причому мезонів серед них немає. Переносниками сильної взаємодії є глюони. Пі-, К- та інші відкриті «мезони» виявилися зовсім не фундаментальними частинками. Вони складаються із кварків — тих самих компонентів, що і протони з нейтронами.
А ось мюон виявився справжньою елементарною частинкою. Щоправда, його назва збереглася скоріше з історичних причин і жодного сенсу вже давно не несе. У Стандартній моделі кварки й лептони розділені на три покоління, кожне з яких являє собою важчу версію попередньої. Електрон є лептоном першого покоління. Мюон — другого, і він у 207 разів важчий за свого «молодшого брата». Є ще частинка третього покоління — таон, і кожному з поколінь відповідає своє нейтрино.
При цьому мюон, як і електрон, має одиничний від’ємний заряд і здебільшого поводиться так само, але при цьому є нестабільною частинкою. Переважно він народжується з іще менш стабільних пі- та К-мезонів, які утворюються під час бомбардування молекул верхніх шарів атмосфери високоенергетичними фотонами.
Час життя мюона складає лише 2,2 мікросекунди. Після цього він розпадається на мюонне нейтрино та W— -бозон, а останній — на електрон та електронне антинейтрино. Приблизно в одному відсотку випадків разом із цими частинками утворюється ще й фотон, а раз на 10 тис. випадків — електрон та позитрон.
При цьому мюони, що утворилися у верхніх шарах атмосфери, рухаються до Землі зі швидкістю, близькою до світлової, і не тільки досягають її, але й можуть заглиблюватися на сотні метрів перш ніж розпадуться. Щохвилини крізь 1 м2 поверхні нашої планети проходить до 10 тис. мюонів, але ми цього не помічаємо, оскільки вони дуже слабко взаємодіють із речовиною.
Саме з народженням мюонів у верхніх шарах атмосфери пов’язане нещодавнє дослідження, яке наробило чимало галасу. Їх там утворюється більше, ніж раніше було передбачено теорією. І ось тепер вчені знайшли цьому пояснення.
Проте людство вже давно отримує мюони не тільки з цього природного джерела. У ряді випадків на мюони та інші частинки можуть розпадатися деякі важкі баріони, бозони й навіть протони та нейтрони. Проте переважно їх все ж отримують при розпаді тау-частинок, які є єдиними лептонами, що важчі за них.
Мюонна речовина
Причиною того, що мюони так слабо взаємодіють із рештою речовини й завдяки цьому можуть відносно вільно проходити крізь дуже щільні матеріали, є те, що вони, попри достатньо велику масу, на відміну від протонів та нейтронів, не беруть участі в сильній взаємодії.
Проте все це зовсім не означає, що вони не можуть входити до її складу. Мюони можуть, подібно до електронів, займати позиції на орбіталях атомів. Щоправда, через їхню масу це мають бути дуже особливі орбіталі, які знаходяться приблизно у 200 разів ближче до ядра, ніж електронні.
Внаслідок цього мюони можуть в якийсь момент вступити в реакцію із протонами з утворенням нейтронів та мюонних нейтрино. Однак, навіть якщо цього не відбудеться, час їхнього існування на орбіталі обмежений тими самими 2,2 мкс. Тобто усі речовини, отримані таким способом, недовговічні.
Речовину на основі мюонів, точніше їхніх античастинок, можна утворити й зовсім іншим способом. У цьому випадку додатно заряджений антимюон відіграє роль протона. А звичайний електрон потрапляє на його орбіталь. Утворюється щось схоже на полегшену версію атома водню. Така речовина називається мюонієм.
Нарешті може існувати така дивовижна форма речовини, як димюоній, або ж справжній мюоній. Ці екзотичні атоми являють собою пару з мюона та антимюона, що з’єднані разом. Хоча можливість існування таких об’єктів підтверджена теоретично, досі вони ніколи й ніде не спостерігалися.
Мюонний каталіз
Усе вищеописане дуже цікаво. Але виникає запитання: чи є у мюонів якесь практичне застосування? І головною відповіддю на нього є термоядерний синтез. Семе цей тип реакцій обіцяє людству море відносно недорогої та чистої енергії, запаси палива для видобування якої закінчаться ще дуже нескоро.
Проблема лише в тім, що протонам для того, аби злитися разом, треба подолати сили відштовхування, які існують між однойменно зарядженими частинками. На Сонці це досягається завдяки дуже високим температурі та тиску, відтворити які на Землі не вдається вже десятки років.
І один з головних кандидатів на розв’язання цієї проблеми — мюонний каталіз. Як вже було сказано, мюон може заміщувати єдиний електрон в атомі водню. Він великий, від’ємно заряджений, тому сили відштовхування між таким атомом та іншим, нормальним, значно нижчі, й температури, яка необхідна, цілком можливо досягнути.
Що ще цікавіше, в самій реакції синтезу мюон участі не бере. Він просто перелітає до наступного атома, і процес повторюється знову. Теоретично за час свого існування у 2,2 мікросекунди мюон міг би виступити каталізатором один мільйон разів. Це означає виділення енергії, яка набагато перевищує витрати на його синтез.
На практиці ж приблизно у 1% актів синтезу мюон «прилипає» до ядра, відповідно ця цифра становить 100–150 разів за час життя однієї частинки. Як наслідок, енергетичний вихід є значно слабшим. Відповідно, така реакція є енергетично невигідною.
Щоправда, недавно з’явилася наукова робота, в якій доводиться, що попередні дослідження не враховували тепло, яке несе потік мюонів. Якщо врахувати і його, то можна досягти значно більшої кількості ділень на один мюон, і таким чином ця реакція стає енергетично вигідною.
Інші застосування
Проте каталізом термоядерних реакцій застосування мюонів не обмежується. Як вже було сказано, ті з них, що утворюються у верхніх шарах атмосфери, достатньо просто проходять крізь верхній шар землі й усе, що на ньому. Але вони все ж взаємодіють із перешкодами достатньо сильно для того, аби цей ефект можна було виміряти.
Саме на цьому явищі базується ефект мюонного детектора. Він здатний виявляти приховану структуру об’єктів, через які проходять частинки значно ефективніше і безпечніше, ніж будь-який рентгенівський апарат. Раніше цю техніку застосовували для пошуку камер у єгипетських пірамідах, а зараз хочуть використати для дослідження стану моста Патона.
Також існує проєкт мюонного колайдера. Теперішні прискорювачі працюють, зіштовхуючи між собою різні частинки, й тим самим досягають високих енергій, за яких може народитися щось, чого ми не бачили досі.
Особливо при цьому цінуються зіткнення електронів, оскільки вважається, що вони не мають внутрішньої структури, а значить, результати можна трактувати більш-менш чітко. Однак збільшення потужності цих пристроїв обмежене втратами енергії на синхротронне випромінювання.
І ось тут на сцену виходять дуже схожі на електрони, але значно важчі мюони, у яких ці втрати будуть відносно низькими. Цілком можливо, що саме на таких пристроях у майбутньому будуть отримані нові важливі для фізики результати.
Мюон — дуже незвична частинка, яка має набір характеристик, які притаманні й електронам, і протонам. Можливо, якоюсь мірою вона дійсно є мезоном, хоча й не в тому сенсі, який мав на увазі Юкава. Цілком можливо, що в майбутньому їй знайдуть нові цікаві застосування.
