Myon

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Dieser Artikel beschreibt das Elementarteilchen Myon, für die gleichnamige französische Gemeinde siehe Myon (Doubs).

Myon (µ)

Klassifikation
Elementarteilchen
Fermion
Lepton
Eigenschaften [1]
Ladung −1 e
(−1,602 · 10−19 C)
Masse 0,113 428 9267(29) u
1,883 531 475(96) · 10−28 kg
206,768 2843(52) · me
105,658 3715(35) MeV/c2
Compton-Wellenlänge 11,734 441 03(30) · 10−15 m
magnetisches Moment −4,490 448 07(15) · 10−26 J / T
g-Faktor −2,002 331 8418(13)
Spin 1/2
mittlere Lebensdauer 2,196 981 1(2 2) · 10−6 s [2]

Das Myon ist ein Elementarteilchen, das in vielen Eigenschaften dem Elektron ähnelt. Wie das Elektron besitzt es eine negative Elementarladung und einen Spin von 12. Myon und Elektron unterliegen der elektroschwachen, jedoch nicht der starken Wechselwirkung. Das Myon hat aber eine rund 200-mal größere Masse. Weiterhin zerfällt es im Unterschied zum Elektron spontan mit einer mittleren Lebensdauer von nur etwa 2 Mikrosekunden. Das Formelsymbol des Myons ist \mu^-. Das Antiteilchen des Myons ist das positive Myon oder Antimyon \mu^+. Es ist wie das Positron einfach positiv geladen.

Myonen wurden 1936 von Carl D. Anderson und Seth Neddermeyer bei der Untersuchung von kosmischer Strahlung entdeckt. Da zu ihrer Produktion eine Schwerpunktsenergie von ca. 106 MeV notwendig ist, entstehen sie weder bei radioaktivem Zerfall noch bei Kernwaffenexplosionen. Zur künstlichen Produktion werden Hochenergie-Teilchenbeschleuniger benötigt.

Als Leptonen sind Elektron und Myon im Standardmodell verwandte Teilchen. Das Elektron wird zur ersten und das Myon zur zweiten der drei Leptonenfamilien gerechnet. Das entsprechende Teilchen der dritten Familie ist das 1975 entdeckte τ-Lepton.

Früher wurde das Myon als My-Meson bezeichnet. „Meson“ – noch früher auch „Mesotron“ – bedeutete damals „mittelschwere Teilchen mit einer Masse zwischen Elektron und Proton“. In den 1960er Jahren wurde aber die Bezeichnung Meson auf Teilchen mit starker Wechselwirkung eingeschränkt, zu denen das Myon als Lepton nicht gehört.

Kosmische Strahlung[Bearbeiten]

Myonen sind ein Hauptbestandteil der sekundären kosmischen Strahlung. Diese entsteht durch Reaktionen der eigentlichen kosmischen Strahlung (vor allem aus dem Weltall kommenden Protonen) mit Atomkernen der oberen Atmosphäre. Die meisten Myonen entstehen in der äußeren Atmosphäre: In einer Höhe von etwa 10 km sind schon 90 Prozent aller in der gesamten Atmosphäre produzierten Myonen entstanden.[3] Die Reaktionen der primären Strahlung erzeugen zunächst Pionen und zu einem kleineren Teil Kaonen; bei deren Zerfall durch die schwache Wechselwirkung entstehen unter anderem Myonen und Myonneutrinos. Die Flussdichte dieser „kosmischen“ Myonen in Meereshöhe ist etwa 100 pro Quadratmeter und Sekunde; das dort gemessene Zahlenverhältnis \mu^+ / \mu^- beträgt etwa 1,27.[4]

Detektion von Myonen[Bearbeiten]

Vakuumtank des CMS-Detektors

Myonen mit ihrer meist hohen kinetischen Energie erzeugen in Materie durch viele aufeinander folgende Stöße lange Ionisationsspuren, die zur Detektion dienen können. Da sie sich meist mit nahezu Lichtgeschwindigkeit bewegen, erzeugen sie z. B. in Wasser Tscherenkow-Strahlung.

Auch Szintillatoren und Halbleiterdetektoren sind auf Myonen empfindlich. Die Myonen aus der sekundären kosmischen Strahlung beispielsweise machen in Gammaspektrometern oft den Hauptteil des Nulleffekts aus, denn sie können wegen ihrer hohen Energie mehrere Meter Blei durchdringen und sind im Labor daher kaum abschirmbar.

In Experimenten der Teilchenphysik werden Myonen von anderen Teilchen durch verschiedene Techniken unterschieden:

  • Durch Messen längerer Spuren können Ursprungsort und die Bewegungsrichtung der Myonen bestimmt werden.
  • Durch Messen von Spuren in Magnetfeldern kann das Verhältnis von Ladung zu Impuls bestimmt werden. Zusammen mit einer Geschwindigkeitsmessung kann auf die Masse des Teilchens geschlossen werden.
  • Das hohe Durchdringungsvermögen für Materie kann ebenfalls zur Identifikation dienen.

Zerfall[Bearbeiten]

Feynman-Diagramm des Myonzerfalls

Das freie Myon zerfällt gemäß dem rechts abgebildeten Feynman-Diagramm in ein Myonneutrino, ein Anti-Elektronneutrino und ein Elektron:

\mu^-\to e^- + \bar\nu_e + \nu_\mu

Den Zerfall des Antimyons erhält man durch den Austausch aller Teilchen durch das jeweilige Antiteilchen:

\mu^+\to e^+ + \nu_e + \bar\nu_\mu

Zusätzlich entsteht mit einer Wahrscheinlichkeit von 1,4 ± 0,4 Prozent Gammastrahlung (Photonen):

\mu^-\to e^- + \bar\nu_e + \nu_\mu + \gamma

und mit einer Wahrscheinlichkeit von (3,4 ± 0,4)·10−3 Prozent [5] ein Elektron-Positron-Paar:

\mu^-\to e^- + \bar\nu_e + \nu_\mu + e^+ + e^-

Dem Standardmodell zufolge wird der Zerfall des Myons durch ein W-Boson (siehe auch Boson) vermittelt.

Die experimentell bestimmte mittlere Lebensdauer des positiven Myons beträgt 2,196 981 1(2 2) · 10−6 s. Das negative Myon hat in Materie einen zusätzlichen Zerfallskanal: Es kann mit einem Atomkern ein myonisches Atom bilden und anschließend entsprechend dem K-Einfang eines Elektrons vom Kern absorbiert werden. Dabei wird ein Proton zu einem Neutron, und ein Myonneutrino wird emittiert. Deswegen ist in Materie die experimentell bestimmbare mittlere Lebensdauer des negativen Myons kürzer. Im Vakuum, ohne diesen zusätzlichen Zerfallskanal, stimmen die gemessenen Lebensdauern von positivem und negativem Myon auf 0,1 % genau überein.[6]

Zeitdilatation[Bearbeiten]

Die Zeitdilatation bewegter Teilchen ermöglicht es den in der oberen Atmosphäre entstehenden Myonen, trotz ihrer kurzen Halbwertszeit von 1,523 µs die Erdoberfläche zu erreichen. Ohne diesen relativistischen Effekt wären selbst bei Bewegung mit Lichtgeschwindigkeit nach rund 450 m die Hälfte aller Myonen schon wieder zerfallen.[7] Die Anzahl der in verschiedenen Höhen ankommenden Myonen wurde erstmals 1961 durch Bruno Rossi und David B. Hall gemessen.[8][9][10][11] Durch einen Wienfilter wurde die Messung auf Myonen mit 99,5 Prozent der Lichtgeschwindigkeit beschränkt. Der Vergleich der gemessenen Teilchenanzahlen ermöglichte es, die Halbwertszeit dieser schnellen Myonen zu bestimmen; sie ergab sich mit 13 μs etwa neunmal länger als bei ruhenden Myonen. Schnelle Myonen zerfallen demnach langsamer als ruhende Myonen. 1963 wurde von Frisch und Smith ein ähnliches Experiment mit höherer Genauigkeit ausgeführt.[12]

Im Standardmodell verbotene Zerfallskanäle[Bearbeiten]

Bestimmte neutrinolose Zerfallskanäle des Myons sind zwar kinematisch möglich, jedoch im Standardmodell (also auch ohne Neutrinooszillationen) verboten und bisher auch nicht beobachtet worden. Dies wird durch die Erhaltungssätze der Lepton-Flavours ausgedrückt (Erhaltung der Leptonenfamilienzahlen in jedem Wechselwirkungsvertex), aus dem auch folgt, dass das Myon kein angeregter Zustand des Elektrons ist. Beispiele für solche Zerfälle, die den Lepton-Flavour ändern würden, sind

\mu^-\to e^- + \gamma

und

\mu^-\to e^- + e^+ + e^-.

Die Beobachtung eines solchen Zerfalls wäre ein Indiz für eine neue Physik jenseits des Standardmodells (Neue Physik). In den letzten 50 Jahren wurde in zahlreichen Experimenten die obere Grenze für die Verzweigungsverhältnisse solcher Zerfälle ständig verbessert. Der aktuelle Grenzwert (2013) für den Zerfall \mu^-\to e^- + \gamma wurde im MEG-Experiment bestimmt und liegt bei 5,7·10−13.[13][14]

Magnetische Anomalie des Myons[Bearbeiten]

Myonen eignen sich besonders gut, um fundamentale Kräfte in der Physik auf höchstem Präzisionsniveau zu studieren. Nach heutigem Kenntnisstand sind sie wie alle Leptonen punktförmig. Damit lassen sich im Rahmen der Quantenelektrodynamik ihre Eigenschaften sehr präzise berechnen. Der Einfluss anderer Kräfte als der elektromagnetischen Kraft ist klein, aber durch virtuelle Teilchen, die das Myon umgeben, beobachtbar. Das führt zu einer Abweichung der magnetischen Eigenschaften des Myons.

Eine Präzisionsmessung dieser magnetischen Anomalie wurde am Brookhaven National Laboratory[15] von einer weltweiten Kollaboration um das Jahr 2000 durchgeführt. Sollte es andere als die der Teilchenphysik derzeit bekannten Teilchen geben, und sollten diese nicht allzu große Massen haben, dann müssten sie sich in der magnetischen Anomalie des Myons bemerkbar machen. Da das Experiment keine signifikanten Abweichung finden konnte, wurde die Gültigkeit des Standardmodells der Teilchenphysik bestätigt. Die magnetische Anomalie des Myons wird auch g−2-Wert genannt. Sie ist die Abweichung des gemessenen Wertes von dem Wert, den man durch numerische Lösung der Dirac-Gleichung erhält:

a_{\mu} = \frac{|g_{\mu}|-2}{2} = 0{,}001\,165\,920\,80(54)(33)

Dieser Wert weicht von dem des Elektrons etwas ab:

a_{e} = \frac{|g_{e}|-2}{2} = 0{,}001\,159\,652\,180\,765

Beide Größen bieten die Möglichkeit zum Vergleich mit experimentell ermittelten Werten. Bisher stimmen die Messungen mit den Berechnungen innerhalb der Fehlertoleranzen überein. Das wird als Bestätigung der Korrektheit des Standardmodells angesehen.

Myonische Atome[Bearbeiten]

Wie Elektronen können die negativ geladenen Myonen an Atomkerne gebunden werden. Der zugehörige Bohrsche Radius der „Myonbahn“ um den Atomkern ist aber um das Verhältnis der Masse des Myons zum Elektron kleiner. Damit sind Myonen viel näher als Elektronen an den Kern gebunden. Die Wahrscheinlichkeit, sich im Kernbereich zu bewegen, ist dadurch um etwa 7 Größenordnungen größer als bei Elektronen.

Insbesondere bei schweren Atomkernen und bei Myonen, die nach dem Einfang das 1s-Orbital belegen, steigt die Wahrscheinlichkeit des Aufenthalts eines Myons innerhalb des Atomkerns auf signifikante Werte. Wenn das Myon dann vom Kern absorbiert wird, kommt es zum inversen Betazerfall und ein Proton wird in ein Neutron umgewandelt. Hierbei entstehen zusätzlich ein Neutrino und eventuell einige Gamma-Quanten. Der neu entstandene Atomkern ist häufig radioaktiv. Durchläuft dieser in der Folge einen normalen Betazerfall, entsteht wieder der ursprüngliche Atomkern.

Ein gebundenes Myon hat aufgrund der zusätzlichen Reaktionswahrscheinlichkeit eine deutlich geringere Lebensdauer, in Kupfer z. B. etwa 0,163 µs. Dies wird z. B. in der Myonen-Spin-Analyse genutzt.

Da das gebundene Myon einen Teil der Kernladung abschirmt, verschieben sich die Energieniveaus der gebundenen Elektronen. Weiterhin gilt das Pauli-Prinzip zwar jeweils für Elektronen und Leptonen untereinander, aber nicht zwischen verschiedenen Teilchenarten. So können in einem myonischen Atom neben zwei Elektronen im 1s-Zustand zusätzlich ein oder zwei Myonen im 1s-Zustand existieren.

Dem gebundenen Myon steht als einzig zusätzlicher Zerfallsweg – neben sämtlichen Zerfallskanälen des freien Myons – der Kerneinfang offen. Kerneinfang ist für schwere Kerne der dominierende Prozess. Nach weiteren Zerfallsmöglichkeiten wird derzeit gesucht, z. B. der sogenannten Myon-Elektron-Konversion, \mu^- + Z\ \rightarrow\ e^- + Z. Da dieser Prozess im Standardmodell der Teilchenphysik nicht möglich ist, wäre er ein eindeutiges Zeichen sogenannter Neuer Physik.

Antimyonen können mit ihrer positiven Ladung hingegen, ähnlich wie Protonen oder Positronen, selber ein Elektron einfangen. Dabei entsteht ein exotisches Atom, das Myonium genannt wird.

Messung des Protonenradius[Bearbeiten]

Die Messung der Lamb-Verschiebung von normalem Wasserstoff und myonischem Wasserstoff ist eine Möglichkeit, den Protonenradius zu bestimmen. Sie ist auf Grund unterschiedlicher Entfernungen zwischen Proton und dem entsprechenden Lepton unterschiedlich und ermöglicht so durch Messung der Energiedifferenzen zwischen 1s- und 2p-Zuständen durch Absorption von Laserstrahlung die Messung von Abweichungen des Coulombpotentials auf sehr kleinen Entfernungskalen. Laut QED würde die beobachtete Verschiebung durch einen Protonenradius von 841,84 ± 0,67 Attometer ausgelöst werden. Der Wert stimmt nicht mit dem Wert 876,8 ± 6,9 Attometer aus Streuexperimenten überein.

Myonen-katalysierte Fusion[Bearbeiten]

Wird ein Myon von einem Deuterium- oder einem Deuterium-Tritium-Molekül (D2 bzw. DT) eingefangen, dann entsteht ein positives myonisches Molekülion, da die relativ große Bindungsenergie des Myons die beiden Elektronen des Moleküls freisetzt. In diesem myonischen Molekül-Ion sind die beiden Atomkerne einander etwa 200-mal näher als in einem elektronischen Molekül. Das ermöglicht durch den Tunneleffekt die Fusion der beiden Kerne. Die sehr große durch die Fusion frei werdende Energie (bei D+D rund 3 MeV, bei D+T 14 MeV) setzt auch das Myon wieder frei und es kann während seiner Lebensdauer je nach Umgebungsbedingung viele weitere (Größenordnung 102) Einzelfusionen katalysieren.[16]

Um mit dieser myonisch katalysierten Kernfusion Nutzenergie erzeugen zu können, müssen die bis zum Zerfall des Myons (Lebensdauer 2,2 µs) stattfindenden Einzelfusionen mehr Energie freisetzen, als für die Erzeugung des Myons benötigt wurde. Aktuelle Teilchenbeschleuniger-Anlagen sind davon viele Größenordnungen entfernt.

Die myonenkatalysierte Fusion ist auch unter dem Namen kalte Fusion bekannt. Sie wurde ursprünglich von Andrei Sacharow vorgeschlagen.

Anwendungen[Bearbeiten]

Höhenkarte des Yatsugatake-Massivs und Umgebung, Mt. Iō: 35.976478138.364735

Hochenergetische Myonen (mehrere GeV) können mehrere Kilometer dicken Fels durchdringen. Im Gegensatz zu Neutrinos, die das auch können, interagieren sie immer noch deutlich mit Materie und lassen sich damit einfach nachweisen. Daher kann man sie zum Durchleuchten größerer Objekte verwenden. Dazu werden die Myonen der kosmischen Strahlung verwendet und ihre Streu-Strahlung gemessen und u. U. tomographisch ausgewertet. So wurde in den 1960er Jahren die Chephren-Pyramide von Luis Walter Alvarez durchleuchtet. Im Jahr 2009 wurde der 2760 m hohe Iō-dake (硫黄岳)-Vulkan des Süd-Yatsugatake-Massivs durchleuchtet. Dadurch konnte die Dichteverteilung des Vulkans ermittelt werden.[17]

Trivia[Bearbeiten]

Das 1936 entdeckte Myon wurde zunächst für das 1935 von Hideki Yukawa postulierte Austauschteilchen der Kernkraft gehalten, das heute als Pion bekannt ist. Dieses Versehen rührte u. a. von der ähnlichen Ruhemasse der beiden Teilchen her. Die Verwechslung wurde 1947 durch die Entdeckung des \pi^--Pions aufgeklärt.

Weblinks[Bearbeiten]

 Wiktionary: Myon – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. Die Angaben über die Teilcheneigenschaften der Infobox sind, wenn nicht anders angegeben, entnommen aus der Veröffentlichung der CODATA Task Group on Fundamental Constants: Vorlage:Internetquelle/Wartung/Zugriffsdatum nicht im ISO-FormatCODATA Recommended Values. National Institute of Standards and Technology, abgerufen am 27. Februar 2014 (englisch).
  2. J. Beringer et al. (Particle Data Group): 2013 Review of Particle Physics. In: Physical Review D. Bd. 86, 2012, 010001 und Vorlage:Internetquelle/Wartung/Zugriffsdatum nicht im ISO-Format2013 partial update for the 2014 edition. Particle Data Group, abgerufen am 26. Februar 2014 (englisch).
  3. Páll Theodórsson: Measurement of Weak Radioactivity. World Scientific, 1996, ISBN 978-981-02-2315-1 (Zugriff am 22. April 2012). S. 85.
  4. C. Grupen: Astroparticle Physics. Springer 2005, ISBN 3-540-25312-2, Seite 149.
  5. J. Beringer et al.: PR D86, 010001 (2012), (Particle Data Group, online).
  6.  S. L. Meyer, E. W. Anderson, E. Bleser, I. M. Lederman, J. L. Rosen, J. Rothberg, I. T. Wang: Precision Lifetime Measurements on Positive and Negative Muons. In: Physical Review. 132, Nr. 6, 1963, S. 2693–2698, doi:10.1103/PhysRev.132.2693.
  7.  Roman Sexl, Herbert K. Schmidt: Raum-Zeit-Relativität. Vieweg, Braunschweig 1979, ISBN 3-528-17236-3, S. 82–85.
  8. Rossi, B.; Hall, D. B.: Variation of the Rate of Decay of Mesotrons with Momentum. In: Physical Review. 59, Nr. 3, 1941, S. 223-228. doi:10.1103/PhysRev.59.223.
  9. Rossi, B.; Greisen, K.; Stearns, J. C.; Froman, D. K.; Koontz, P. G.: Further Measurements of the Mesotron Lifetime. In: Physical Review. 61, Nr. 11-12, 1942, S. 675-679. doi:10.1103/PhysRev.61.675.
  10. Rossi, B.; Nereson, N.: Experimental Determination of the Disintegration Curve of Mesotrons. In: Physical Review. 62, Nr. 9-10, 1942, S. 417-422. doi:10.1103/PhysRev.62.417.
  11. Rossi, B.; Nereson, N.: Further Measurements on the Disintegration Curve of Mesotrons. In: Physical Review. 64, Nr. 7-8, 1943, S. 199-201. doi:10.1103/PhysRev.64.199.
  12. Frisch, David H.; Smith, James H.: Measurement of the Relativistic Time Dilation Using μ-Mesons. In: American Journal of Physics. 31, Nr. 5, 1963, S. 342-355. doi:10.1119/1.1969508.
  13.  J. Adam et al. (MEG Collaboration): In: Physical Review Letters. 107, Nr. 17, 2011, S. 171701–171805, doi:10.1103/PhysRevLett.107.171801.
  14. J. Adam (MEG Collaboration), Bai, Baldini, Baracchini, Bemporad, Boca, Cattaneo, Cavoto: New Constraint on the Existence of the mu+ -> e+ gamma Decay. In: Physical Review Letters. 110, Nr. 20, 2013. arXiv:1303.0754. Bibcode: 2013PhRvL.110t1801A. doi:10.1103/PhysRevLett.110.201801.
  15. Vorlage:Internetquelle/Wartung/Zugriffsdatum nicht im ISO-FormatThe E821 Muon (g-2) Home Page. Ernst Sichtermann, abgerufen am 8. Juni 2009 (englisch).
  16. W. H. Breunlich: Myon Catalyzed Fusion. Nuclear Physics A. Bd. 508 (1990) S. 3–15.
  17.  Blick in den Schlund. In: Bild der Wissenschaft. Nr. 10, 2009, S. 61f (online)..