Myon

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Myon
Klassifikation

Elementarteilchen

Fermion

Lepton

Eigenschaften -1,602 176 462(63)·10^-19 C1.692 ⋅10^-11 J

Ladung	-e =
Ruhemasse $m_{\rm \mu}$	1,883 531 40 ⋅10^-28 kg
Ruheenergie	105,6 MeV =
magnetisches Moment $\vec{\mu_{\rm \mu}}$	-4,490 448⋅10^-26 J T^-1
Spin	1/2
g-Faktor	-2,002 331 84
mittlere Lebensdauer $\tau_{\rm \mu}$	2,2 · 10^-6 s

Das Myon ist ein Elementarteilchen, das dem Elektron ähnelt, jedoch eine deutlich höhere Masse (105,6 MeV/c² statt 0,511 MeV/c²) aufweist. Wie das Elektron ist es mit einer Elementarladung negativ geladen, und besitzt einen halbzahligen Spin. Beide unterliegen nicht der starken Wechselwirkung. Das Antiteilchen des Myons, das Anti-Myon, ist wie das Positron einfach positiv geladen.

Dem Standardmodell zufolge sind Elektron und Myon verwandte Teilchen. Beide gehören zur Klasse der Leptonen, nur dass das Elektron zur ersten der drei Familien gehört, das Myon zur zweiten. Das entsprechende Teilchen der dritten Familie - das Tau-Lepton, ist ebenfalls bereits nachgewiesen worden.

Myon-Zerfall.png

Die mittlere Lebensdauer eines freien Myons beträgt τ = 2,2 · 10^-6 s. Es zerfällt gemäß dem rechts abgebildeten Feynmandiagramm in ein Myon-Neutrino, ein Anti-Elektron-Neutrino und ein Elektron. Das Antimyon zerfällt analog, nur dass jeweils die Antiteilchen der vorgenannten Teilchen entstehen. Zusätzlich kann beim Zerfall noch Gammastrahlung (Photonen) erzeugt werden. Dem Standardmodell zufolge wird der Zerfall des Myons über ein W-Boson (siehe auch Boson) vermittelt.

Magnetische Anomalie des Myons

Myonen eignen sich besonders gut, um fundamentale Kräfte in der Physik auf höchstem Präzisionsniveau zu studieren. Myonen sind Leptonen, die nach heutigem Kenntnisstand als punktförmig angesehen werden können. Damit lassen sich ihre Eigenschaften sehr präzise im Rahmen der Quantenelektrodynamik berechnen. Der Einfluss anderer als der elektromagnetischen Kraft ist klein aber beobachtbar. Durch virtuelle Teilchen, die das Myon umgeben, können sich diese bemerkbar machen. Das führt zu einer Abweichung der magnetischen Eigenschaften des Myons. Eine Präzisionmessung dieser magnetischen Anomalie wurde am Brookhaven National Laboratory ^* von einer weltweiten Kollaboration um das Jahr 2000 durchgeführt.

Sollte es andere als uns derzeit in der Teilchenphysik bekannte Teilchen geben und diese nicht allzugroße Massen haben, dann müssten sich diese in der magnetischen Anomalie des Myons bemerkbar machen. Da das Experiment keine große Abweichung finden konnte, ist damit das Standardmodell der Teilchenphysik in eindrucksvoller Weise bestätigt worden. Die magnetische Anomalie des Myons wird auch g-2-Wert genannt und ist ein Wert, an dem sich alle Teilchentheorien messen lassen müssen.

Myonische Atome

Myonen (aber nicht Antimyonen) können aufgrund ihrer Ladung wie Elektronen an Atomkerne gebunden werden. Jedoch ist der zugehörige Bohrsche Radius der „Myonbahn“ um den Atomkern im Verhältnis der Massen von Elektron und Myon kleiner. Die Folge ist, dass die Myonen viel stärker gebunden werden als die Elektronen. Üblicherweise gehen Myonen schon kurz nach dem Einfang in einen 1s-Zustand über. Bei schweren Atomkernen liegt aufgrund der kleinen Bahnradien ein großer Teil der Myon-Aufenthaltswahrscheinlichkeit im Atomkern. Dort kann es dann zum inversen Betazerfall kommen, bei dem das Myon absorbiert und ein Proton in ein Neutron verwandelt wird. Hierbei entsteht zusätzlich ein Neutrino, sowie eventuell eines oder mehrere Gamma-Quanten. Der neu entstandene Atomkern ist in vielen Fällen radioaktiv. Durchläuft dieser in der Folge einen normalen Beta-Zerfall, wird wieder der originale Atomkern hergestellt.

Ein gebundenes Myon hat aufgrund der zusätzlichen Reaktionswahrscheinlichkeit eine deutlich geringere Lebensdauer, zum Beispiel ca. 0,163 µsec in Kupfer, was auch zur Myonen-Spin-Analyse genutzt wird.

Da das gebundene Myon einen Teil der Kernladung abschirmt, verschieben sich die Energieniveaus der gebundenen Elektronen. In einem Myonischen Atom könnten sich jedoch durchaus ein Myon und zwei Elektronen (d.h. beide gleichzeitig) in einem 1s-Zustand befinden. Das Verbot, dass sich keine zwei Fermionen im gleichen Zustand aufhalten können, gilt nicht für verschiedenartige Teilchen wie Elektron und Myon.

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 so genannten Myon-Elektron-Konversion, $\mu^- + Z \rightarrow e^- + Z$ . Dies wäre ein eindeutiges Zeichen sogenannter Neuer Physik, was bedeutet, dass dieser Prozess im Standardmodell der Teilchenphysik nicht vorgesehen ist.

Myonen-katalysierte Fusion

Wenn ein Myon mit einem Deuterium-Molekül, D₂, eine Verbindung eingeht, dann entsteht ein positives myonisches Molekül-Ion, weil die relativ große Bindungsenergie des Myons die beiden Elektronen des Moleküls freisetzt. In diesem myonischen Molekül-Ion sind die beiden Deuterium-Kerne einander 200 mal näher, als in einem elektronischen Molekül. Das ermöglicht durch den Tunneleffekt eine Kernfusion der beiden Kerne zu Helium-3 und Neutronen, oder Tritium und Protonen. Die sehr große durch die Fusion frei werdende Energie von 3 oder 4 MeV setzt das Myon wieder frei, und es kann in seiner kurzen Lebensdauer je nach den Umgebungsbedingungen bis zu 20 Fusionen katalysieren. Um aus dieser myonisch katalysierten Kernfusion netto Energie zu gewinnen, müsste man aus diesen 20 Fusionen mehr Energie gewinnen können, als zur Erzeugung der dafür erforderlichen Myonen notwendig ist. Andere Forschergruppen berichteten von bis zu 100 durch ein Myon katalysierten Fusionsreaktionen, wobei sich aufgrund eines Quanten-Resonanzeffektes bei einer Temperatur des Deuteriums von 900°C ein Maximum befindet. Die Myonen-katalysierte Fusion ist auch unter dem Namen Kalte Fusion bekannt.

Höhenstrahlung

Myonen sind einer der wesentlichen Bestandteile der so genannten Höhenstrahlung. Sie entstehen in 10 km Höhe. Wenn energiereiche kosmische Teilchen (vor allem Protonen) auf Atomkerne der Moleküle in der Atmosphäre treffen, entstehen zunächst Pionen und auch zu einem kleinere Teil Kaonen. Beim Zerfall der sehr kurzlebigen Pionen und Kaonen auf Grund der schwachen Wechselwirkung entstehen u.a. Myonen und Myon-Neutrinos. Durch relativistische Zeitdilatation können sie trotz der kurzen Halbwertszeit die Erdoberfläche erreichen (ohne diesen relativistischen Effekt würde die Reichweite nur ca 600 m betragen). Auf Meereshöhe werden in Deutschland ca. 200 Myonen pro Sekunde und Quadratmeter gezählt.

siehe auch: Myonium

Weblinks

Kosmische Myonen und die Relativitätstheorie: Berechnung der Zeitdilatation und weitere relativistische Berechnungen

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