Muon

Muon
Samenstelling	elementair deeltje
Generatie	tweede
Interactiekrachten	zwakke, elektromagnetische kracht, gravitatiekracht
Symbool	μ−
Antideeltje	antimuon
Massa	105,66 MeV/c²
Vervalt naar	elektron
Elektrische lading	-1 e = -1,6022 × 10−19 C
Spin	1/2

In het standaardmodel van de deeltjesfysica is het muon in de tweede generatie het equivalent van het elektron in de eerste. Het zijn leptonen, dus ook fermionen. Een muon heeft een massa van 105,66 MeV/c², dat is 207 keer de massa van het elektron, en een spin van ½. Een muon wordt met μ⁻ aangeduid, naar de Griekse letter mu, en een antimuon met μ⁺.

Geschiedenis

Hideki Yukawa bedacht in 1934 dat de sterke kernkracht die de protonen en neutronen in atoomkernen bij elkaar houdt, als een gevolg van de uitwisseling van zware bosonen kon worden geïnterpreteerd tussen de kerndeeltjes. Er waren in 1934 nog geen deeltjesversnellers die deze bosonen zouden kunnen produceren. De beste plek om ze te vinden was in hoogenergetische kosmische straling.

Carl David Anderson ontdekte het muon in 1936 toen hij met behulp van een nevelvat kosmische straling bestudeerde. Anderson merkte op dat er in zijn nevelvat sporen te zien met een grotere kromming dan die van protonen, maar met minder kromming dan die van elektronen. Hij trok de conclusie dat het om sporen van een nieuw deeltje moest gaan. Ervan uitgaande dat de elektrische lading van het deeltje gelijk was aan die van het elektron, volgde daar ook uit dat de massa van het nieuwe deeltje tussen die van het proton en die van het elektron moest liggen. Anderson noemde het deeltje daarom in eerste instantie mesotron.

Het werd al snel duidelijk dat het mesotron niet het door Yukawa gezochte boson kon zijn. Het drong onder andere dieper in allerlei stoffen door, waaronder lucht, dan het theoretisch voorspelde boson. Het muon is dan ook geen boson, maar een fermion. Te midden van de bekende bouwstenen van de materie leek er voor het muon in eerst geen plaats in de deeltjesfysica. Dit gaf Isidor Rabi, winnaar van de Nobelprijs voor Natuurkunde in 1944, aanleiding tot zijn uitspraak Who ordered that? Het duurde nog tot 1947, tot de door Yukawa voorspelde deeltjes werden gevonden, en wel door Cecil Powell van de Universiteit van Bristol. Dat zijn nu de pionen.

In de decennia na de ontdekking van het muon werden nog veel meer deeltjes met massa's tussen die van het elektron en die van het proton ontdekt. Die werden meson genoemd en het mesotron werd mu-meson genoemd. Meson heeft een andere betekenis gekregen, het is nu een deeltje dat uit een quark en een anti-quark is opgebouwd, maar meson met de oude betekenis komt nog wel eens voor.

Muonverval

Doordat het muon tweehonderd keer zo zwaar is als het elektron, is het niet stabiel: het heeft een vervaltijd of gemiddelde levensduur van 2,2 μs. Bruno Pontecorvo en Ted Hincks toonden in 1950 aan dat bij het verval van een muon een elektron en twee neutrino's worden uitgezonden:

${\displaystyle \mu ^{-}\to e^{-}+\nu +{\bar {\nu }}}$

${\displaystyle \mu ^{+}\to e^{+}+\nu +{\bar {\nu }}}$

Deze reactie leverde een probleem op want als er een neutrino en een anti-neutrino ontstaan, dan zou men verwachten dat deze elkaar meteen tot een foton annihileren. Melvin Schwartz, Leon Lederman en Jack Steinberger toonden aan dat er ten minste twee soorten neutrino's bestaan, elektron-neutrino's ${\displaystyle \nu _{e}}$ en muon-neutrino's ${\displaystyle \nu _{\mu }}$. De door Pontecorvo en Hincks gevonden reacties zijn:

${\displaystyle \mu ^{-}\to e^{-}+{\bar {\nu }}_{e}+\nu _{\mu }}$

${\displaystyle \mu ^{+}\to e^{+}+\nu _{e}+{\bar {\nu }}_{\mu }}$