myon

Myonen er en elementarpartikel i familien af leptoner. Den ligner elektronen, men er betydeligt tungere og ustabil: En myon har en masse omkring 207 gange elektronens og henfalder i løbet af få milliontedele af et sekund. Myoner er ikke særligt almindelige i vores omgivelser. Et af de få steder, de optræder naturligt, er som restprodukt, når kosmisk stråling rammer Jordens atmosfære. På trods af den korte levetid når mange myoner alligevel helt ned til jordoverfladen, fordi de bevæger sig med hastigheder tæt på lysets og derfor påvirkes af relativitetsteorien. Myonen spiller en vigtig rolle i moderne partikelfysik. Dens egenskaber bruges både i teori og eksperiment til at præcisionsteste partikelfysikkens Standardmodel.

Faktaboks

Etymologi: Ordet myon er en afledning af navnet på det græske bogstav my (μ) med endelsen -on. Betegnelsen myon blev valgt som parallel til navne som elektron og proton, hvor endelsen -on bruges om partikler. Myonen blev tidligere kaldt my-meson, fordi man troede, den var den meson, som ifølge den japanske fysiker Hideki Yukawas teori skulle bære den stærke kernekraft. Da dette senere viste sig at være pionen, blev betegnelsen myon standard.

Egenskaber

Myonen findes i to varianter: en negativt ladet myon, μ⁻, og dens antipartikel, den positivt ladede μ⁺. Begge har samme masse og levetid. Myonen er væsentligt tungere end elektronen og afsætter derfor mere energi i detektorer, men på mange måder opfører den sig som elektronen: Den er punktformig, bærer én elementarladning og vekselvirker via den elektromagnetiske kraft og den svage kernekraft.

I modsætning til elektronen er myonen ustabil. Den henfalder typisk til en elektron, en myon-neutrino og en elektron-antineutrino. Da henfaldet sker via den svage kernekraft, er levetiden relativt lang efter elementarpartikelstandarder – få mikrosekunder – hvilket gør myonen let at studere eksperimentelt.

Fakta om myonen
Egenskab	Værdi
Betegnelser	myon (μ⁻) og anti-myon (μ⁺)
Masse	105,7 MeV (omkring 207 gange elektronens)
Levetid	2,2 μs
Elektrisk ladning	–1 elementarladning (anti-myonen har +1 elementarladning)

Myoner i kosmisk stråling

De fleste myoner, der rammer Jorden, dannes i atmosfæren, når protoner fra den kosmiske stråling rammer ilt og kvælstof. Denne proces skaber pioner, partikler bestående af op- og ned-kvarker, som næsten øjeblikkeligt henfalder til myoner og neutrinoer.

Selvom myonens levetid kun er 2,2 mikrosekunder, bevæger myonerne sig så tæt på lysets hastighed, at tiden – set fra myonen selv – strækkes ud på grund af relativistiske effekter fra Einsteins specielle relativitetsteori. En typisk myon får sin levetid forlænget med omkring en faktor 1000, altså til få millisekunder. Det er nok til, at myonen kan tilbagelægge de mange kilometer gennem atmosfæren og nå helt ned til jordoverfladen, hvor den kan opfanges af eksperimenter.

Forskningshistorie

Myonen blev opdaget i 1936, da de amerikanske fysikere Carl D. Anderson og Seth Neddermeyer (1907-1988) undersøgte spor fra kosmisk stråling. Ladede partiklers spor krummer i magnetfelter, og positivt og negativt ladede partikler krummer i hver sin retning. Jo tungere partiklen er, jo mindre krummer sporet. Dermed kunne forskerne se, at den nye partikel hverken var en elektron – sporet var ikke lige så krumt – eller en proton, fordi sporet krummede i modsat retning. Fundet blev beskrevet som en “tung elektron”, og opdagelsen kom som en overraskelse, fordi der ikke fandtes nogen teoretisk forudsigelse af en sådan partikel.

I årene efter troede man, at myonen var den partikel, som den japanske fysiker Hideki Yukawa havde foreslået som bærer af den stærke kernekraft. Ifølge denne teori skulle kraftbæreren være en meson med en masse mellem elektronens og protonens, og myonen passede umiddelbart godt ind i dette billede. Det viste sig dog, at myonen ikke påvirkes af den stærke kernekraft, og dermed ikke kunne være denne kraftbærer.

Den rigtige partikel viste sig at være pionen, som blev opdaget i 1947. Denne indsigt placerede myonen i leptonfamilien og gjorde den til den anden kendte lepton efter elektronen.

Da partikelfysikkens Standardmodel senere blev udviklet, fik myonen sin naturlige plads i den anden generation af materiepartikler, sammen med myon-neutrinoen. Myonen blev dermed et vigtigt element i opbygningen af en samlet forståelsesramme for elementarpartikler og kræfter.

Selv om myonen er ustabil, spiller den en stor rolle i moderne eksperimentel fysik. Kosmiske myoner bruges hyppigt til at kalibrere store detektorer: Deres energi, retning og indtrængningsevne gør dem til naturlige testpartikler, der kan verificere, om et eksperiment registrerer ladede spor korrekt. Mange af de største partikelfysikeksperimenter – blandt andet dem ved CERN – bruger derfor kosmiske myoner til at finjustere og kontrollere detektorerne, inden egentlige data indsamles.

Myoner i moderne fysik

Myoner bruges i dag som både præcisionsværktøj og som naturlige sonder, fordi de kombinerer høj energi, lang rækkevidde og velkendte egenskaber. Det gør dem velegnede til at teste fundamentale teorier og til at undersøge strukturer, der er utilgængelige for almindelig stråling.

Præcisionsmålinger med myoner

En af de vigtigste anvendelser af myoner er målingen af deres magnetiske moment, det såkaldte g–2-eksperiment. Når en ladet partikel med spin bevæger sig i et magnetfelt, vil dens spin “vippe” omkring feltet på en bestemt måde. Denne præcession kan beskrives af en matematisk størrelse kaldet g, og for en myon er det ikke helt præcis 2, men en smule større – deraf navnet g–2. Forskellen mellem 2 og den målte værdi afspejler alle de processer, myonen påvirkes af; også processer, der ikke kan ses direkte.

I praksis betyder det, at alle Standardmodellens partikler påvirker myonens magnetiske moment, selv når de ikke er til stede i eksperimentet. Deres virtuelle påvirkning ændrer myonens præcession en lille smule, og denne lille ændring kan måles ekstremt præcist. Derfor er g–2 både en eksperimentel og en teoretisk bedrift: Eksperimentel, fordi myonens magnetiske moment er målt med en nøjagtighed på omkring én del ud af en milliard, og teoretisk, fordi alle kendte partikler må indgå i beregningen af værdien. Selv effekter fra hadronernes indre struktur bidrager, selv om myonen aldrig kommer tæt på en kvark.

Hvis målingen af g–2 afviger fra Standardmodellens forudsigelse, kan det betyde, at der findes ukendte partikler eller kræfter, som også påvirker myonen indirekte. Derfor betragtes g–2 som et af de steder, hvor ny fysik kan vise sig først.

Myontomografi

Myoner bruges også som en slags naturlige røntgenstråler. Fordi kosmiske myoner har meget høj energi, kan de trænge gennem flere hundrede meter sten, jord eller beton, hvor almindelig stråling ville blive absorberet. Ved at måle, hvor mange myoner der slipper igennem et materiale, og hvilke retninger de kommer fra, kan man danne et billede af det indre af store strukturer. Princippet minder om CT-scanning, hvor strålingskilden dog ikke er en maskine, men atmosfæren over os.

Myontomografi har fået praktisk betydning i både geologien og arkæologien. Metoden er blevet brugt undersøgelser af magmakamre i aktive vulkaner, til at lede efter skjulte rum i pyramider med og til inspektion af store industrielle konstruktioner, hvor man ikke kan lave indgreb eller bore huller. Myonerne giver et detaljeret billede af tætheden i de materialer, de passerer igennem, og dermed mulighed for at kortlægge strukturer, der ellers ville være usynlige.

Læs mere i Lex

Kommentarer

Kommentarer til artiklen bliver synlige for alle. Undlad at skrive følsomme oplysninger, for eksempel sundhedsoplysninger. Fagansvarlig eller redaktør svarer, når de kan.

Du skal være logget ind for at kommentere.

Fagansvarlig for Specifikke partikler og resonanser

Christian Bierlich

Forsker, ph.d., Lunds Universitet