Müüon

Müüon ($\mu ^{-}$; ingl muon) on elektronisarnane elementaarosake, mis kuulub koos viie teise osakesega ($e^{-}$, $\tau ^{-}$ ,$\nu _{e}$ ,$\nu _{\mu }$, $\nu _{\tau }$) leptonite hulka. Müüoni nimetus tuleneb kreeka tähest müü (μ), mida osakese tähistamiseks kasutatakse. Nagu ka elektronil ja taul, on müüonil negatiivne elektrilaeng ja poolarvuline spinn. Viimase järgi kuuluvad nad fermionide hulka. Müüoni mass on 105,7 MeV/c² ehk umbes 207 korda suurem kui elektroni mass. Teadaolevalt puudub müüonil alamstruktuur. Osakest, mille mass ja spinn on võrdsed müüoni vastavate suurustega, kuid mille elektrilaeng on positiivne, nimetatakse antimüüoniks ehk positiivseks müüoniks ($\mu ^{+}$).

Müüoni keskmine eluiga on 2,2 mikrosekundit, seega kõikidest ebastabiilsetest fundamentaalosakestest on pikem eluiga vaid neutronil. Neutroni ning müüoni ühiseks tunnusjooneks on tõsiasi, et mõlema osakese lagunemisprotsess toimub ainult nõrga vastastikmõju vahendusel. Lagunemise tagajärjel tekib müüoni asemele tüüpiliselt kolm uut osakest: üks elektron ning kaks erinevat neutriinot (müüneutriino ning antielektronneutriino) .

Suurema massi tõttu kiirenevad müüonid elektromagnetväljas oluliselt vähem kui elektronid ning selle tagajärjeks on väiksem kogus pärsskiirgust võrreldes elektronidega. Kuna elektronide ja müüonite aeglustumise peamiseks põhjuseks ongi pidurduskiirgusest tulenev energiakadu, siis saavad müüonid võrreldes elektronidega ainesse palju sügavamale tungida. Nii võivad näiteks kosmilisse sekundaarkiirgusse kuuluvad müüonid läbida maapinda ning tungida maa-alustesse kaevandustesse. Oma massi tõttu evib müüon energiat, mis on oluliselt suurem tuumalagunemisega seonduvatest energiatest ning seepärast ei ole müüonid kunagi tuumalagunemise otseseks tagajärjeks. Enamasti tekivad müüonid piionite lagunemisel. Piionid tekivad omakorda kas kosmilise kiirguse interakteerumisel ainega või siis teatud osakestekiirendites.

Sarnaselt elektroni ja tauga vastab ka müüonile sellega seotud neutriino, mida nimetatakse müüneutriinoks ($\nu _{\mu }$).

Ajalugu

1936. aastal avastasid Carl D. Anderson ja Seth Neddermeyer California Tehnoloogiainstituudis kosmilist kiirgust uurides, et teatud osakesed muutsid magnetvälja mõjul suunda teisiti, kui näiteks elektronid või muud sel ajal teada olevad osakesed. Nähtavasti oli tegu negatiivselt laetud osakestega, kuid osake torkas silma oma trajektoori kõverusraadiuse poolest: elektroni omast suurem, samas prootoni kõverusraadiusest väiksem. Järeldati, et avastatud osakese negatiivse elektrilaengu suurus võrdub elektroni laenguga. Trajektooride kõveruse erinevuse korvamiseks oletati, et uue osakese mass on elektroni omast suurem ja prootoni omast väiksem. Müüoni olemasolu kinnitas 1937. aastal tehtud Wilsoni kambri eksperiment, mille viisid läbi Jabez C. Street ja Edward C. Stevenson.

Algselt kutsus Anderson enda avastatud osakest mesotroniks. Teoreetik Hideki Yukawa oli nn mesoskaalas paikneva massiga osakeste olemasolu ennustanud juba enne seda, kui mesoneid eksperimentaalselt vaadeldi. Algselt arvatigi ekslikult, et Andersoni avastatud osake on sama, mida kirjeldas Yukawa. Ent 1947. aastal selgus järjekordses kosmilise kiirguse eksperimendis, et Yukawa kirjeldas osakest, mida tänapäeval nimetatakse piimesoniks.

Seoses asjaoluga, et 1947. aastaks olid füüsikud avastanud kaks erinevat osakest, mille mass jääb nukleonide ning elektronide vahepeale, võeti sellises vahemikus paiknevate osakeste kirjeldamiseks kasutusele termin "meson" (kr μέσος – keskel). Et teha kahel osakesel selgelt vahet, hakati varem leitud osakest nimetama müümesoniks ning Yukawa osakest piimesoniks.

Uute mesonite avastamise tagajärjel saadi aru, et müümesonid erinevad märkimisväärselt kõikidest teistest mesonitest. Täheldati, et erinevalt piimesonitest ei interakteeru müümesonid tuumajõuga ning see ei olnud kooskõlas Yukawa teooriaga. Lisaks tekivad müüoni lagunemise tagajärjel alati korraga nii neutriino kui ka antineutriino; samas teiste laetud mesonite lagunemisel saadakse ainult kas üks või teine.

Elementaarosakeste standardmudeli kujunemise käigus kaotas termin "meson" pikkamisi oma endise tähenduse, sest selgus, et kõik mesonid peale müümesoni on hadronid, mis koosnevad täpselt kahest elementaarosakesest ning alluvad tuumajõule. Seega hakati mesoniteks nimetama hadroneid, mis ei ole barüonid, ehk ei koosne kolmest kvargist/antikvargist, vaid ühest kvargist ja ühest antikvargist. Kuna aga müümeson, nagu ka elektron, ei koosne teadaolevalt ühestki väiksemast elementaarosakesest, siis ei sobi termin "meson" tegelikult kuigi hästi vastava osakese kirjeldamiseks ning tekitab lihtsalt segadust. Seetõttu nimetati osake ümber müüoniks ning terminit "müümeson" tänapäeva füüsikud enam ei kasuta.

Müüoni teke

Kui kosmilise primaarkiirguse prootonid jõuavad atmosfääri ülakihtideni ning tabavad atmosfääri osakesi, siis selle tagajärjel tekivad piionid. Laetud piionid lagunevad atmosfääris liikudes mõne meetri pärast omakorda müüoniteks ja müüneutriinodeks. Ilma relativistlike efektideta peaksid pooled müüonid olema ära lagunenud juba ligikaudu 456 meetri kaugusel tekkeasukohast. Kuna müüonite kiirus on väga lähedane valguse kiirusele, siis sellest tulenevalt peab Maa taustsüsteemis olev vaatleja arvestama aja dilatatsiooniga. Relativistlikud efektid võimaldavad sekundaarkiirguse müüonitel jõuda maapinnani. Müüoni taustsüsteemis muutub aga vahemaa müüoni tekkekoha ning maapinna vahel oluliselt lühemaks võrreldes vahemaaga, mida tajub Maa taustsüsteemi suhtes paigal seisev vaatleja. Seega võib müüonite maapinnani jõudmist seletada kahel ekvivalentsel viisil.

Ka osakestefüüsikute loodud eksperimentides saadakse müüonid sarnase protsessi tagajärjel: esmalt põrgatatakse kokku kaks hadronit, et tekitada piioneid, mis omakorda lühikese aja järel lagunevad müüoniteks.

Lagunemine

Müüoni lagunemine müüneutriinoks, antielektronneutriinoks ja elektroniks

Müüonid lagunevad nõrga vastastikmõju abil reeglina kolmeks osakeseks. Leptonlaengu jäävuse tõttu on üks tekkivatest neutriinodest müüneutriino ja teine antielektronneutriino. Kuna elektriline kogulaeng peab jääma konstantseks, siis tekib müüoni lagunemise tagajärjel ka üks elektron ning antimüüoni lagunemise tagajärjel positron. Seega laguneb müüon alati vähemalt elektroniks ja kaheks neutriinoks. Vahel tekib lisaks nimetatud osakestele ka mõni muu osake, eeldusel, et lisandi summaarne laeng ning spinn võrdub nulliga (nt footonid või elektron-positron paar).

Formaalselt esitatakse vastavalt müüoni ja antimüüoni lagunemine kujul:

$\mu ^{-}\rightarrow e^{-}+{\bar {\nu }}_{e}+\nu _{\mu }$,

$\mu ^{+}\rightarrow e^{+}+\nu _{e}+{\bar {\nu }}_{\mu }$.

Müüonaatom

Müüonid on võimelised lühiajaliselt asendama klassikalises aatomis elektroni; seda hoolimata tõsiasjast, et müüon oli esimene inimkonnale teada olev elementaarosake, mida nähtavasti ei leidu tavapärastes aatomites. Müüonaatomi omadustele avaldab olulist mõju müüoni mass võrreldes elektroniga. Nn müüonvesinik on tavalistest vesinikuaatomitest oluliselt väiksem, sest suurema massi tõttu on põhioleku lainefunktsioon võrreldes elektroniga rohkem lokaliseeritud. Kui aga enam kui ühe elektroniga aatomis asendada üksainus elektron müüoniga, siis määravad aatomi suuruse siiski suures osas elektronid, müüoni osakaal on väike. Sellegipoolest on müüoni orbitaal väiksem ning tuumale lähemal võrreldes elektronorbitaalidega.

Müooniumiks nimetatakse antimüüonist ja elektronist koosnevat eksootilist aatomit , mis avastati 1960. aastal . Antimüüoni ja elektroni massierinevusest tulenevalt on müoonium sarnasem vesinikuaatomiga kui positrooniumiga.

Müüontomograafia

Müüontomograafia tööpõhimõte

Müüontomograafiaks nimetatakse tehnoloogiat, mis kasutab ära sekundaarkiirguse müüonite Rutherfordi hajumist. Selle informatsiooni põhjal on võimalik luua erinevatest esemetest kolmemõõtmelisi pilte. Erinevalt meditsiinis kasutust leidvast kompuutertomograafist saab müüontomograafi abil uurida palju paksemaid ja tihedama koostisega esemeid . Seda seetõttu, et müüonid läbivad aines pikemaid teepikkusi kui kompuutertomograafias kasutatavad röntgenikiired. Los Alamose laboratooriumis on töötatud välja tehnoloogia, mida nimetatakse müüonhajumise tomograafiaks ning mis võimaldab taastada nii osakese sisenemis- kui ka väljumistrajektoori .