Мюон

Розпад мюона відбувається під дією слабкої взаємодії: мюон розпадається на мюонне нейтрино і W^–-бозон (віртуальний), що своєю чергою швидко розпадається на електрон і електронне антинейтрино. Такий розпад є однією з форм бета-розпаду[12]. Іноді (приблизно в одному відсотку випадків) разом з цими частинками утворюється фотон, а в одному випадку з 10000 — ще один електрон і позитрон[10].

Теоретично, мюон може розпастися на електрон і фотон, якщо під час розпаду мюонне нейтрино осцилює, проте ймовірність цього вкрай мала — порядку 10⁻⁵⁰ за теоретичними розрахунками[13]. Експериментально встановлено, що доля цього каналу менша за 5,7×10⁻¹³%[10]. Втім, можливо, такий розпад є більш ймовірним для зв'язаного мюона, що обертається навколо ядра[14].

Також є непідтверджені гіпотези існування інших екзотичних каналів розпаду мюона, таких як розпад на електрон і майорон[15], або на електрон і бозон[16].

Найбільш звичним є розпад заряджених пі-мезонів і K-мезонів на мюон і мюонне антинейтрино, іноді з утворенням нейтральних частинок:

${\displaystyle \pi ^{-}\to \mu ^{-}{\bar {\nu _{\mu }}}}$[17](99 % розпадів)

${\displaystyle K^{-}\to \mu ^{-}{\bar {\nu _{\mu }}}}$[18](64 % розпадів)

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

Ці реакції є основними каналами розпаду цих частинок. Інші заряджені мезони також активно розпадаються з утворенням мюонів, хоча і з меншою інтенсивністю, наприклад, при розпаді зарядженого D-мезона мюон утворюється лише в 18 % випадків[19]. Розпад піонів і каонів є основним джерелом мюонів в космічних променях і прискорювачах.

Нейтральні мезони можуть розпадатися на пару мезон-антимезон, нерідко з утворенням гамма-кванта або нейтрального піона. Проте ймовірність таких розпадів, зазвичай, менша:

${\displaystyle \eta \to \mu ^{-}\mu ^{+}\gamma }$[20] (0,03 % розпадів)

${\displaystyle \rho \to \mu ^{-}\mu ^{+}}$[21](0,005 % розпадів)

Для важчих мезонів ймовірність появи мюона збільшується — наприклад, D⁰-мезон утворює їх в 6,7 % випадків[22].

Мюон може утворюватися при розпаді баріонів, проте ймовірність цього зазвичай є низькою. Як приклад можна навести такі реакції як:

${\displaystyle \Xi ^{-}\to \Lambda \mu ^{-}{\bar {\nu _{\mu }}}}$(0,03 % розпадів)[23]

${\displaystyle \Lambda ^{0}\to p\mu ^{-}{\bar {\nu _{\mu }}}}$(0,015 % розпадів)[24]

Важкі нейтральні бозони іноді розпадаються на мюон-антимюонну пару:

${\displaystyle Z^{0}\to \mu ^{-}\mu ^{+}}$(3 % розпадів)[25]

${\displaystyle H^{0}\to \mu ^{-}\mu ^{+}}$[26]

А заряджені бозони, на пару мюон-антинейтрино:

${\displaystyle W^{-}\to \mu ^{-}{\bar {\nu _{\mu }}}}$(11 % розпадів)[27]

Тау-частинка, єдиний відомий лептон, що важчий за мюон, з ймовірністю в 17 % розпадається на мюон, тау-нейтрино й антимюонне нейтрино[28].

Важливою реакцією, в якій бере участь мюон є мюонне захоплення. При потраплянні мюонів у речовину, вони захоплюються атомами, і поступово опускаються на К-орбіталь, випромінюючи фотони. Радіус цієї орбіталі у 200 разів менший, ніж відповідної орбіталі електрона, тому значний час мюон знаходиться безпосередньо у ядрі[29]. Через це, мюон швидко захоплюється ядром, взаємодіючи з протоном за схемою:

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

На кварковому рівні ця реакція проходить як[11]:

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

Для легких ядер (Z<30) ймовірність захоплення пропорційна Z⁴. Для важчих атомів радіус орбіти мюона стає меншим за радіус ядра, тому подальше збільшення ядра не впливає на інтенсивність реакції.

Заряд електрона рівний заряду мюона і тау-частинки, а в продуктах розпаду W-бозона і Z-бозона вони зустрічаються з однаковою ймовірністю. Через це, різниця між будь-якими реакціями з участю різних лептонів може бути викликана лише різницями в їх масі, а не в механізмі розпаду, а тому в більшості реакцій мюон може заміняти електрон і навпаки. Ця особливість називається лептонною універсальністю.

Втім, дані експерименту LHCb щодо рідкісних напівлептонних розпадів B-мезонів можуть свідчити про те, що лептонна універсальність все-таки може порушуватися[30] [31].

Основною складністю, що заважає будувати генератори на базі ядерного синтезу є високі температури, до яких повинна бути підігріта воднева плазма, щоб ядра могли подолати кулонівський бар'єр, і наблизитись на відстань, на якій почнуть діяти ядерні сили.

Система з протона і мюона, тобто, мезоводень, має розміри в сотні разів менші за атом, і при цьому мезон повністю екранує заряд ядра. Таким чином, мезоводень поводить себе як великий нейтрон і може проникати через електронні оболонки інших атомів. Завдяки цьому, ядра водню можуть наближатися на відстані, достатні для того, щоб між ними відбулася реакція ядерного синтезу. Після реакції, мюон має великий шанс відірватися від утвореного ядра, і приєднатися до іншого, повторюючи весь цикл, слугуючи, таким чином, каталізатором процесу.

У випадку реакцій D-T, процес проходить наступним чином: мезодейтерій і тритій утворюють мезомолекулу. Середня відстань між ядрами є недостатньою для початку реакції, проте, оскільки атоми коливаються навколо положення рівноваги, у момент найбільшого зближення, відстань між ними стає достатньою для того, щоб ядра тунелювали через кулонівський бар'єр. Розрахунки показують, що середній час термоядерної реакції на шість порядків менший за час життя мюона. Проте в середньому один мюон може каталізувати не мільйон реакцій, а лише порядку 100—150. Це пов'язано з тим, що після утворення ядра гелію-4 і нейтрона, мюон має шанс приблизно в 1 % «прилипнути» до гелію, і припинити свою подальшу каталітичну діяльність. Цей процес називають «отруєнням» каталізатора.

Енергія, що виділяється за 100 D-T реакцій дорівнює 2000 МеВ, що, хоча й значно більша за 100 МеВ (енергія, що витрачається на утворення мюона), через високі супутні витрати, процес лишається енергетично невигідним.

Одним зі способів збільшити енергетичний вихід є використання потоку нейтронів, що утворюються при синтезі, для опромінення уранового бланкету, що буде спричиняти поділ ядра урану, або перетворення його у плутоній[36].

Завдяки космічним променям, на Землю постійно падає потік мюонів — в середньому, на один квадратний сантиметр земної поверхні падає одна частинка за хвилину[37]. Якщо поставити мюонні детектори над і під деяким об'єктом, можна за різницею інтенсивності мюонів зробити висновки щодо його внутрішньої структури. Від більш звичної рентгенографії, мюонна томографія відрізняється кількома важливими параметрами:[38]

• Мюони поглинаються значно слабше за гамма-промені, тому з їх допомогою можна «просвічувати» великі кількасотметрові тверді об'єкти, або достатньо товсті шари металу.
• Мюонна томографія — пасивний метод аналізу. Він використовує лише природний мюонний фон, а отже не несе ніякої додаткової небезпеки для здоров'я.

Головний мінус цієї методики полягає в тому, що контрастне зображення може потребувати багато часу, дні або тижні, через те, що природний мюонний фон є невисоким.

У 1967—1968 роках частина піраміди Хефрена була досліджена таким чином, з метою пошуку потаємних кімнат (їх не було знайдено).

Більш сучасна варіація цієї методики, мюонна розсіювальна томографія, фіксує не лише поглинання мюонів, а й їх розсіювання, яке відбувається значно частіше. Для цього кожен детектор, що стоїть над і під об'єктом, повинен фіксувати його траєкторію. Чим більша атомна маса речовини, тим сильніше вона відхиляє мюони, тому цей метод дозволяє ефективно виявляти важкі метали, такі як уран, що використовується для боротьби з ядерною контрабандою[39].

Існують пропозиції побудови колайдера мюонів та антимюонів, які б могли замінити електрон-позитронні колайдери[40]. Електрони через свою низьку масу втрачають значну частину своєї енергії на синхротронне випромінювання (особливо це актуально в кільцевих колайдерах), тому будівництво електрон-позитронних колайдерів з енергією вищою за 100 ГеВ не є виправданим. Мюони, як важчі лептони, позбавлені цієї проблеми, що б дозволило досягти енергій зіткнень у кілька ТеВ. До того ж оскільки мюони мають більшу масу, в мюонному колайдері переріз утворення бозонів Хіггса є більшим, ніж в електрон-позитронному колайдері. Це б дозволило вивчати бозони Хіггса з великою точністю. Однак, технічна реалізація таких проєктів ускладнена через короткоживучість мюонів та проблему отримання інтенсивного пучка мюонів за цей надзвичайно короткий час.