Перегляд вихідного коду сторінки Мюон

{{Картка частинка
| колір_тла =
| назва = мюон 
| зображення = 
| підпис = 
| число_типів = 
| склад = елементарна частинка
| родина = ферміон
| група = [[лептон]]
| покоління = друге
| взаємодії = [[електромагнітна взаємодія|електромагнітна]], [[гравітація|гравітаційна]], [[слабка взаємодія|слабка]]
| частинка = мюон
| античастинка = антимюон
| статус = 
| передбачена = 
| відкрита = [[Карл Андерсон]] [[1936]]
| символ = μ<sup>-</sup>
| маса = 105.658369(9) М[[еВ]]
| час_життя = 2.197029(4) × 10<sup>-6</sup> [[секунда|с]] 
| розпадається_на = <math>e^- + \nu_{\mu} + \bar{\nu_e}</math>
| заряд = -1
| кольоровий_заряд = 
| спін = 1/2
| число_спінових_станів = 2
}}
'''Мюо́н''' (від грецької букви [[мю (літера)|μ]], що використовується для позначення), '''важкий електрон''', '''мю-мезон'''&nbsp;— у [[Стандартна модель|стандартній моделі]] [[фізика елементарних частинок|фізики елементарних частинок]]&nbsp;— нестабільна [[елементарна частинка]] з негативним [[електричний заряд|електричним зарядом]] і [[спін]]ом 1/2. Разом з [[електрон]]ом, [[тау-лептон]]ом і [[нейтрино]] класифікується як частина [[лептон]]ної родини [[ферміон]]ів. Як і всі заряджені фундаментальні частинки, мюон має [[античастинка|античастинку]] із зарядом протилежного знаку, але з рівною [[маса|масою]] і спіном: '''[[антимюон]]'''.

З історичних причин, мюони іноді згадуються як '''мю-мезони''', хоча вони не є [[мезони|мезонами]] в сучасному представленні фізики елементарних частинок. Маса мюона в 207 разів більша від маси електрона; з цієї причини мюон можна розглядати як надзвичайно важкий електрон. Мюони позначаються як μ<sup>–</sup>, а антимюони як μ<sup>+</sup>.

На Землі мюони реєструються в космічних променях, де вони виникають в результаті розпаду заряджених [[піон]]ів. Піони утворюються у верхніх шарах атмосфери первинними [[космічні промені|космічними променями]] і мають дуже короткий час життя&nbsp;— декілька наносекунд. Час життя мюонів теж малий&nbsp;— 2,2 мікросекунди. Проте мюони з космічних променів мають швидкості, близькі до [[швидкість світла|швидкості світла]], тому через [[ефект уповільнення часу]]
[[спеціальна теорія відносності|спеціальної теорії відносності]] вони встигають долетіти до поверхні Землі.

Як і у випадку інших заряджених лептонів, існує ''[[мюонне нейтрино]]'', яке пов'язане з мюоном. Мюонні нейтрино позначаються як ν<sub>μ</sub>. Мюони майже завжди розпадаються на електрон, [[електронне нейтрино|електронне антинейтрино]] і мюонне нейтрино; існують також рідкісніші типи розпаду, коли виникає додатковий фотон або електрон-позитронна пара.
[[Файл:Myon-Zerfall.svg|thumb|Фейнманівська діаграма розпаду мюона]]

== Історія ==

Мюони було відкрито [[Карл Девід Андерсон|Карлом Андерсоном]] і {{не перекладено|Сет Наддермеєр|Сетом Наддермеєром||Seth Neddermeyer }} у [[1937]] році, під час дослідження [[космічне випромінювання|космічного випромінювання]]<ref>{{cite web|url=https://timeline.web.cern.ch/anderson-and-neddermeyer-discover-muon|title=Anderson and Neddermeyer discover the muon|website=CERN|accessdate=2 березня 2021|archive-date=20 лютого 2021|archive-url=https://web.archive.org/web/20210220082343/https://timeline.web.cern.ch/anderson-and-neddermeyer-discover-muon}}{{ref-en}}</ref>. Вони детектували частинки, які при проходженні через [[магнітне поле]] відхилялися меншою мірою, ніж електрони, але сильніше, ніж [[протон]]и. Було зроблено припущення, що їхній електричний заряд дорівнює заряду електрона, і для пояснення відмінності у відхиленні було необхідно, щоб ці частинки мали проміжну масу (що лежить десь між масою електрона і масою протона).

З цієї причини Андерсон спочатку назвав нову частинку «мезотрон»<ref>{{cite news|url=https://www.theguardian.com/science/life-and-physics/2011/may/14/1|title=My favourite particle: the muon|author=Mark Lancaster|date=14 травня 2011|newspaper=[[The Guardian]]|accessdate=2 березня 2021|archive-date=5 березня 2021|archive-url=https://web.archive.org/web/20210305140143/https://www.theguardian.com/science/life-and-physics/2011/may/14/1}}{{ref-en}}</ref>, використовуючи приставку «мезо-» (від грецького слова «проміжний»). Також, деякі вчені називали частинку ''мезон'', що викликало плутанину. Крім того, франкофонним вченим не подобалося це слово, оскільки французькою воно є [[омофон]]ом [[бордель|борделю]]{{sfn | Brown,Rechenberg | 1996 | с=187}}. До того, як було відкрито [[піони|пі-мезон]], мюон вважався кандидатом на роль переносника сильної взаємодії, який був необхідний в теорії, що незадовго до того була розроблена [[Хідекі Юкава|Юкавою]]. Проте, виявилося, що мюон не вступає в сильні взаємодії, а його час життя у сотні разів більший ніж той, що передбачався теорією Юкави{{sfn | Fraser | 1998 | с=17}}.

1941 року [[Бруно Россі]] і [[Девід Голл]] вимірюючи, як час розпаду мюона залежить від його енергії, вперше експериментально продемонстрували ейнштейнівське сповільнення часу
<ref>{{cite journal |last1=Rossi |first1=Bruno |last2=Hall |first2=David |date=01.02.1941 |title=Variation of the rate of decay of Mesotrons with Momentum |url=http://spiff.rit.edu/classes/phys314/lectures/muon/rossi.pdf |journal=The physical rewiew |volume=59 |issue=3 |pages=223 |doi=10.1103/PhysRev.59.223 |accessdate=3 березня 2021 |archive-date=30 квітня 2021 |archive-url=https://web.archive.org/web/20210430103558/http://spiff.rit.edu/classes/phys314/lectures/muon/rossi.pdf }}</ref>.

1942 року японські вчені Танікава Ясутака, Саката Сьоіті та Іноуе Такесі запропонували теорію, що мезотрон є не частинкою Юкави, а продуктом її розпаду&nbsp;— проте через війну їх роботи були перекладені англійською лише у 1946, і не були відомі у США аж до кінця 1947{{sfn | Fraser | 1998 | с=17}}. Значно пізніше схоже припущення (відоме під назвою «двомезонна гіпотеза») висловив {{нп|Роберт Маршак|||Robert Marshak}}.

1947 року ці теорії підтвердилися. Нововідкриті частинки отримали назву [[піони]]. Було вирішено використовувати термін «мезон» як загальну назву частинок цього класу{{sfn | Brown,Rechenberg | 1996 | с=187}}. Мезотрон же отримав назву мю-мезон (від грецької літери «мю»){{sfn | Fraser | 1998 | с=19}}.

Після появи [[Кварк|кваркової моделі]], мезонами почали вважатися частинки, що складаються з кварка й антикварка. Мю-мезон же не належав до них (за сучасними уявленнями, він не має внутрішньої структури), тому його назву змінили на сучасний термін «мюон»<ref>Erica Smith. [http://www.physics.drexel.edu/~bob/TermPapers/muon.pdf Physics of Muons] {{Webarchive|url=https://web.archive.org/web/20220121084512/http://www.physics.drexel.edu/~bob/TermPapers/muon.pdf |date=21 січня 2022 }}. Drexel University, May 17, 2010{{ref-en}}</ref>.

1962 року в експерименті, проведеному у [[Брукгейвенська національна лабораторія|Брукгейвенській національній лабораторії]] було показано, що мюону відповідає особливий тип [[нейтрино]], що бере участь лише у реакціях з ним<ref>[https://www.bnl.gov/science/neutrinos.php Brookhaven Neutrino Research] {{Webarchive|url=https://web.archive.org/web/20210318001439/https://www.bnl.gov/science/neutrinos.php |date=18 березня 2021 }} Brookhaven National Laboratory{{ref-en}}</ref>.

Мюон викликав багато питань у фізиків, оскільки його роль у природі була не зрозумілою. За словами [[Маррі Гелл-Ман|Гелл-Мана]] мюон був ніби дитиною, підкинутою на поріг, яку ніхто не чекав{{sfn | Fraser | 1998 | с=19}}. Пізніше мюон, мюонне нейтрино, а також s-кварк і c-кварк були виділені у [[Покоління елементарних частинок|друге покоління елементарних частинок]]. Проте причини існування поколінь частинок&nbsp;— все ще нерозв'язана проблема фізики.

У квітні 2021 року група вчених за результатами експериментів заявила, що взаємодія мюонів не узгоджується зі [[Стандартна модель|Стандартною моделлю]].{{r|Discovery2021}}

== Характеристики ==
Мюон за багатьма характеристиками повторює електрон: так само він має заряд -1 і спін ½ (тобто, є [[ферміон]]ом). Разом з електроном і тау-частинкою мюон належить до родини [[лептон]]ів&nbsp;— його [[лептонний заряд]] дорівнює 1, а [[Баріонний заряд|баріонний]]&nbsp;— нулю. Для антимюона значення всіх зарядів&nbsp;— протилежні, а решта характеристик збігається з характеристиками мюона. Маса мюона дорівнює 1,883×10<sup>−28</sup> кг, або 105,658374 МеВ<ref name="lbl_muon">{{cite journal|last1=Particle Data Group|date=2020|title=Review of Particle Physics|url=https://pdg.lbl.gov/2020/listings/rpp2020-list-muon.pdf|journal=Progress of Theoretical and Experimental Physics|volume=2020|issue=8|doi=10.1093/ptep/ptaa104|accessdate=5 березня 2021|archive-date=23 березня 2021|archive-url=https://web.archive.org/web/20210323010112/https://pdg.lbl.gov/2020/listings/rpp2020-list-muon.pdf}}</ref>&nbsp;— майже в 207 разів більше, ніж маса електрона, і приблизно в 9 разів менша ніж маса протона. Через те, що маса мюона займає проміжне положення між електроном і протоном, деякий час його вважали [[мезони|мезоном]]. Час життя мюона становить 2,1969811 мікросекунди<ref name="lbl_muon"/>. Для елементарних частинок така тривалість є значною&nbsp;— серед нестабільних частинок лише нейтрон (і, можливо, протон, якщо він розпадається) має більший час життя. За такої тривалості життя мюон мав би проходити не більше 658 метрів до розпаду, проте через ейнштейнівське сповільнення часу, швидкі мюони (наприклад, з космічних променів) можуть проходити багато кілометрів. [[Магнітний момент]] мюона дорівнює 3,183345142 [[Магнітний момент протона|μ<sub>p</sub>]]<ref name="lbl_muon"/>. [[Аномальний магнітний момент мюона]] дорівнює 1,16592×10<sup>−3</sup>. [[Дипольний момент]] дорівнює нулю (в межах похибки)<ref name="lbl_muon"/>.

== Взаємодія з іншими частинками ==

Мюон бере участь у реакціях за допомогою всіх фундаментальних взаємодій, окрім сильної{{sfn | Прохоров | 1992 | с=230}}.

=== Розпад мюона ===
Розпад мюона відбувається під дією слабкої взаємодії: мюон розпадається на [[мюонне нейтрино]] і W<sup>–</sup>-бозон (віртуальний), що своєю чергою швидко розпадається на електрон і електронне антинейтрино. Такий розпад є однією з форм [[бета-розпад]]у<ref>{{cite web |url=http://nuclphys.sinp.msu.ru/seminar/sem1/sem02a.htm |назва=Семинары по физике частиц и ядра.Распады и реакции. |автор=Н.Г. Гончарова |accessdate=6 квітня 2017 |archive-date=9 травня 2017 |archive-url=https://web.archive.org/web/20170509094434/http://nuclphys.sinp.msu.ru/seminar/sem1/sem02a.htm }}{{ref-ru}}</ref>. Іноді (приблизно в одному відсотку випадків) разом з цими частинками утворюється фотон, а в одному випадку з 10000&nbsp;— ще один електрон і позитрон<ref name="lbl_muon"/>.

Теоретично, мюон може розпастися на електрон і фотон, якщо під час розпаду мюонне нейтрино [[Осциляції нейтрино|осцилює]], проте ймовірність цього вкрай мала&nbsp;— порядку 10<sup>−50</sup> за теоретичними розрахунками<ref>{{cite journal |last1=Yoshitaka |first1=Kuno |last2=Yasuhiro |first2=Okada |date=2001 |title=Muon decay and physics beyond the standard model |url=https://arxiv.org/pdf/hep-ph/9909265.pdf |journal=Reviews of Modern Physics |volume=73 |issue=1 |pages=151 |doi=10.1103/RevModPhys.73.151 |accessdate=6 квітня 2017 |archive-date=7 квітня 2017 |archive-url=https://web.archive.org/web/20170407054748/https://arxiv.org/pdf/hep-ph/9909265.pdf }}</ref>. Експериментально встановлено, що доля цього каналу менша за 5,7×10<sup>−13</sup>%<ref name="lbl_muon"/>. Втім, можливо, такий розпад є більш ймовірним для зв'язаного мюона, що обертається навколо ядра<ref>{{cite journal |last1=Szafron |first1=Robert |last2=Czarnecki |first2=Andrzej |date=2016 |title=High-energy electrons from the muon decay in orbit: Radiative corrections |url=https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0370269315009399 |journal=Physics Letters B |volume=753 |pages=61-64 |doi=10.1016/j.physletb.2015.12.008 |accessdate=5 березня 2021 |archive-date=30 квітня 2021 |archive-url=https://web.archive.org/web/20210430103557/https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0370269315009399 }}</ref>.

Також є непідтверджені гіпотези існування інших екзотичних каналів розпаду мюона, таких як розпад на електрон і [[майорон]]<ref>Andrzej Czarnecki[http://prac.us.edu.pl/~us2011/talks/Czarnecki.pdf Exotic muon decays] {{Webarchive|url=https://web.archive.org/web/20140513222105/http://prac.us.edu.pl/~us2011/talks/Czarnecki.pdf |date=13 травня 2014 }} University of Alberta{{ref-en}}</ref>, або на електрон і бозон<ref>{{cite journal |last1=Bilger |first1=R. |last2=Föhl |first2=K. |last3=Clement |first3=H. |last4=Cröni |first4=M. |last5=Erhardt |first5=A. |last6=Meier |first6=R. |last7=Pätzold |first7=J. |last8=Wagner |first8=G.J. |date=1999 |title=Search for exotic muon decays |url=https://arxiv.org/pdf/hep-ph/9811333.pdf |journal=Physics Letters B |volume=446 |issue=3-4 |pages=363-367 |doi=10.1016/S0370-2693(98)01507-X |accessdate=6 квітня 2017 |archive-date=7 квітня 2017 |archive-url=https://web.archive.org/web/20170407054617/https://arxiv.org/pdf/hep-ph/9811333.pdf }}</ref>.

=== Утворення мюона ===
[[Файл:AirShower.svg|400px|міні|Утворення мюонів і антимюонів у  [[Атмосферна злива (космічні промені)|широкій атмосферній зливі]], спричиненій високоенергетичною [[Космічні промені|космічною частинкою]] (протоном)]]

==== Розпад мезонів ====
Найбільш звичним є розпад заряджених [[піони|пі-мезонів]] і [[K-мезон]]ів на мюон і мюонне антинейтрино, іноді з утворенням нейтральних частинок:
: <math>\pi^-\to\mu^- \bar{\nu_{\mu}}</math><ref>{{cite journal|last1=Particle Data Group|date=2020|title=Review of Particle Physics|url=http://pdg.lbl.gov/2020/listings/rpp2020-list-pi-plus-minus.pdf|journal=Progress of Theoretical and Experimental Physics|volume=2020|issue=8|doi=10.1093/ptep/ptaa104|accessdate=5 березня 2021|archive-date=22 березня 2021|archive-url=https://web.archive.org/web/20210322190345/https://pdg.lbl.gov/2020/listings/rpp2020-list-pi-plus-minus.pdf}}</ref>(99&nbsp;% розпадів)
: <math>K^-\to\mu^- \bar{\nu_{\mu}}</math><ref>{{cite journal|last1=Particle Data Group|date=2020|title=Review of Particle Physics|url=http://pdg.lbl.gov/2020/listings/rpp2020-list-K-plus-minus.pdf|journal=Progress of Theoretical and Experimental Physics|volume=2020|issue=8|doi=10.1093/ptep/ptaa104|accessdate=5 березня 2021|archive-date=20 березня 2021|archive-url=https://web.archive.org/web/20210320190410/https://pdg.lbl.gov/2020/listings/rpp2020-list-K-plus-minus.pdf}}</ref>(64&nbsp;% розпадів)
: <math>K^-\to\pi^0\mu^-\bar{\nu_{\mu}}</math>(3&nbsp;% 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-мезон]]а мюон утворюється лише в 18&nbsp;% випадків<ref>{{cite journal|last1=Particle Data Group|date=2020|title=Review of Particle Physics|url=http://pdg.lbl.gov/2020/listings/rpp2020-list-D-plus-minus.pdf|journal=Progress of Theoretical and Experimental Physics|volume=2020|issue=8|doi=10.1093/ptep/ptaa104|accessdate=5 березня 2021|archive-date=23 березня 2021|archive-url=https://web.archive.org/web/20210323005443/https://pdg.lbl.gov/2020/listings/rpp2020-list-D-plus-minus.pdf}}</ref>.
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:
: <math>\eta\to\mu^-\mu^+\gamma</math><ref>{{cite journal|last1=Particle Data Group|date=2020|title=Review of Particle Physics|url=http://pdg.lbl.gov/2020/listings/rpp2020-list-eta.pdf|journal=Progress of Theoretical and Experimental Physics|volume=2020|issue=8|doi=10.1093/ptep/ptaa104|accessdate=5 березня 2021|archive-date=23 березня 2021|archive-url=https://web.archive.org/web/20210323021648/https://pdg.lbl.gov/2020/listings/rpp2020-list-eta.pdf}}</ref> (0,03&nbsp;% розпадів)
: <math>\rho\to\mu^-\mu^+</math><ref>{{cite journal|last1=Particle Data Group|date=2020|title=Review of Particle Physics|url=http://pdg.lbl.gov/2020/listings/rpp2020-list-rho-770.pdf|journal=Progress of Theoretical and Experimental Physics|volume=2020|issue=8|doi=10.1093/ptep/ptaa104|accessdate=5 березня 2021|archive-date=22 березня 2021|archive-url=https://web.archive.org/web/20210322235046/https://pdg.lbl.gov/2020/listings/rpp2020-list-rho-770.pdf}}</ref>(0,005&nbsp;% розпадів)
Для важчих мезонів ймовірність появи мюона збільшується&nbsp;— наприклад, D<sup>0</sup>-мезон утворює їх в 6,7&nbsp;% випадків<ref>{{cite journal|last1=Particle Data Group|date=2020|title=Review of Particle Physics|url=http://pdg.lbl.gov/2020/listings/rpp2020-list-D-zero.pdf|journal=Progress of Theoretical and Experimental Physics|volume=2020|issue=8|doi=10.1093/ptep/ptaa104|accessdate=5 березня 2021|archive-date=21 березня 2021|archive-url=https://web.archive.org/web/20210321161804/https://pdg.lbl.gov/2020/listings/rpp2020-list-D-zero.pdf}}</ref>.

==== Розпад баріонів ====
Мюон може утворюватися при розпаді баріонів, проте ймовірність цього зазвичай є низькою. Як приклад можна навести такі реакції як:
: <math>\Xi^-\to\Lambda\mu^- \bar{\nu_{\mu}}</math>(0,03&nbsp;% розпадів)<ref>{{cite journal|last1=Particle Data Group|date=2020|title=Review of Particle Physics|url=http://pdg.lbl.gov/2020/listings/rpp2020-list-xi-minus.pdf|journal=Progress of Theoretical and Experimental Physics|volume=2020|issue=8|doi=10.1093/ptep/ptaa104|accessdate=5 березня 2021|archive-date=22 березня 2021|archive-url=https://web.archive.org/web/20210322112308/https://pdg.lbl.gov/2020/listings/rpp2020-list-xi-minus.pdf}}</ref>
: <math>\Lambda^0\to p\mu^- \bar{\nu_{\mu}}</math>(0,015&nbsp;% розпадів)<ref>{{cite journal|last1=Particle Data Group|date=2020|title=Review of Particle Physics|url=http://pdg.lbl.gov/2020/listings/rpp2020-list-lambda.pdf|journal=Progress of Theoretical and Experimental Physics|volume=2020|issue=8|doi=10.1093/ptep/ptaa104|accessdate=5 березня 2021|archive-date=21 березня 2021|archive-url=https://web.archive.org/web/20210321185856/https://pdg.lbl.gov/2020/listings/rpp2020-list-lambda.pdf}}</ref>

==== Розпад бозонів ====
Важкі нейтральні бозони іноді розпадаються на мюон-антимюонну пару:
: <math>Z^0\to\mu^-\mu^+</math>(3&nbsp;% розпадів)<ref>{{cite journal|last1=Particle Data Group|date=2020|title=Review of Particle Physics|url=http://pdg.lbl.gov/2020/listings/rpp2020-list-z-boson.pdf|journal=Progress of Theoretical and Experimental Physics|volume=2020|issue=8|doi=10.1093/ptep/ptaa104|accessdate=5 березня 2021|archive-date=22 березня 2021|archive-url=https://web.archive.org/web/20210322080837/https://pdg.lbl.gov/2020/listings/rpp2020-list-z-boson.pdf}}</ref>
: <math>H^0\to\mu^-\mu^+</math><ref>{{cite journal|last1=Particle Data Group|date=2020|title=Review of Particle Physics|url=https://pdg.lbl.gov/2020/listings/rpp2020-list-higgs-boson.pdf|journal=Progress of Theoretical and Experimental Physics|volume=2020|issue=8|doi=10.1093/ptep/ptaa104|accessdate=5 березня 2021|archive-date=23 березня 2021|archive-url=https://web.archive.org/web/20210323005342/https://pdg.lbl.gov/2020/listings/rpp2020-list-higgs-boson.pdf}}</ref>
А заряджені бозони, на пару мюон-антинейтрино:
: <math>W^-\to\mu^-\bar{\nu_{\mu}}</math>(11&nbsp;% розпадів)<ref>{{cite journal|last1=Particle Data Group|date=2020|title=Review of Particle Physics|url=http://pdg.lbl.gov/2020/listings/rpp2020-list-w-boson.pdf|journal=Progress of Theoretical and Experimental Physics|volume=2020|issue=8|doi=10.1093/ptep/ptaa104|accessdate=5 березня 2021|archive-date=21 березня 2021|archive-url=https://web.archive.org/web/20210321160849/https://pdg.lbl.gov/2020/listings/rpp2020-list-w-boson.pdf}}</ref>

==== Розпад лептонів ====
Тау-частинка, єдиний відомий лептон, який важчий за мюон, з ймовірністю в 17&nbsp;% розпадається на мюон, [[тау-нейтрино]] й антимюонне нейтрино<ref>{{cite journal|last1=Particle Data Group|date=2020|title=Review of Particle Physics|url=http://pdg.lbl.gov/2016/listings/rpp2016-list-tau.pdf|journal=Progress of Theoretical and Experimental Physics|volume=2020|issue=8|doi=10.1093/ptep/ptaa104|accessdate=6 квітня 2017|archive-date=16 травня 2017|archive-url=https://web.archive.org/web/20170516230701/http://pdg.lbl.gov/2016/listings/rpp2016-list-tau.pdf}}</ref>.

=== Інші реакції ===
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 радіус відповідної орбіталі електрона, тому значний час мюон знаходиться безпосередньо в ядрі<ref name="atoms">{{cite journal |last1=Knecht |first1=A. |last2=Skawran |first2=A. |last3=Vogiatzi |first3=S. M. |date=2020 |title=Study of nuclear properties with muonic atoms |url=https://link.springer.com/article/10.1140/epjp/s13360-020-00777-y |journal=The European Physical Journal Plus |volume=135 |issue=10 |doi=10.1140/epjp/s13360-020-00777-y |accessdate=3 березня 2021 |archive-date=30 квітня 2021 |archive-url=https://web.archive.org/web/20210430103557/https://link.springer.com/article/10.1140/epjp/s13360-020-00777-y }}</ref>. Через це, мюон швидко захоплюється ядром, взаємодіючи з протоном за схемою:
: <math>\mu^-+p\to n+\nu_{\mu}</math>.
На кварковому рівні ця реакція проходить як{{sfn | Прохоров | 1992 | с=230}}:
: <math>\mu^-+u\to d+\nu_{\mu}</math>.
Для легких ядер (Z<30) ймовірність захоплення пропорційна Z<sup>4</sup>. Для важчих атомів радіус орбіти мюона стає меншим за радіус ядра, тому подальше збільшення ядра не впливає на інтенсивність реакції.

=== μ-e універсальність ===
Заряд електрона рівний заряду мюона і [[тау-лептон|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 [[лептон]]ів 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-мезон]]ів можуть свідчити про те, що лептонна універсальність все-таки може порушуватися<ref>{{cite web |url=https://nplus1.ru/news/2015/08/31/unilep |назва=В ЦЕРНе подтвердили нарушение важного свойства слабого взаимодействия |автор=Игорь Иванов |дата=31.08.2015 |вебсайт=N+1 |accessdate=7 квітня 2017 |archive-date=7 квітня 2017 |archive-url=https://web.archive.org/web/20170407233835/https://nplus1.ru/news/2015/08/31/unilep }}{{ref-ru}}</ref>
<ref>{{cite web |url=http://nv.ua/ukr/techno/science/chastinki-boga-amerikanski-fiziki-znajshli-dirku-v-svitobudovi-1309456.html |назва=Вчені з Каліфорнійського університету відкрили феномен, який не вписується в Стандартну модель фізики елементарних частинок |автор=Олексій Бондарєв |дата=13.06.2017 |вебсайт=НВ Техно |accessdate=13 червня 2017 |archive-date=13 червня 2017 |archive-url=https://web.archive.org/web/20170613191037/http://nv.ua/ukr/techno/science/chastinki-boga-amerikanski-fiziki-znajshli-dirku-v-svitobudovi-1309456.html }}</ref>.

== Мюонні атоми ==
{{main|Мезоатом}}
[[Файл:Muonium.svg|міні|Мюоній]]
Мюони були першими відкритими [[елементарна частинка|елементарними частинками]], які не траплялися у звичайних [[атом]]ах. Негативні мюони можуть, проте, формувати ''мюонні атоми'', замінюючи електрони в звичайних атомах. Розв'язок [[рівняння Шредінгера]] для воднеподібного атома показує, що характерний розмір одержуваних хвильових функцій (тобто [[радіус Бора]], якщо розв'язок проводиться для атома водню зі звичним електроном) обернено пропорційний масі частинки, що рухається навколо [[атомне ядро|атомного ядра]]. Внаслідок того, що маса мюона більш ніж у двісті разів перевершує масу електрона, розмір одержуваної «мюонної [[атомна орбіталь|орбіталі]]» в стільки ж разів менший від аналогічної електронної<ref name="atoms"/>. У результаті, вже для ядер із [[зарядове число|зарядовим числом]] Z = 5-10 розміри мюонної хмари порівняні або не більше ніж на порядок перевершують розміри ядра, і неточковість ядра починає сильно впливати на вигляд хвильових функцій мюона. Як наслідок, вивчення їхнього енергетичного спектра (інакше кажучи, ліній поглинання мюонного атома) дозволяє «заглянути» в ядро і дослідити його внутрішню структуру.

Позитивний мюон, зупинений у звичайній матерії, може зв'язати електрон і сформувати [[мюоній]] (Mu)&nbsp;— атом, в якому мюон діє як ядро<ref>{{cite journal |last1=Percival |first1=Paul |date=1979 |title=Muonium chemistry |url=https://core.ac.uk/download/pdf/85213318.pdf |journal=Radiochimica Acta |volume=26 |issue=1 |pages=1-14 |doi=10.1524/ract.1979.26.1.1 |accessdate=3 березня 2021 |archive-date=21 січня 2022 |archive-url=https://web.archive.org/web/20220121102332/https://core.ac.uk/download/pdf/85213318.pdf }}</ref>. [[Зведена маса]] мюонію і, отже, його [[радіус Бора|борівський радіус]] близькі до відповідних величин для [[водень|водню]], тому цей короткоживучий атом у першому наближенні поводиться в хімічних реакціях як надлегкий ізотоп водню.

== Проникна здатність ==
Інтенсивність [[гальмівне випромінювання|гальмівного випромінювання]] обернено пропорційна квадрату маси частинки що рухається, тому для мюона, що в 207 разів важчий за електрон втрати на нього є нехтуваними. З іншого боку, мюон, на відміну від [[адрони|адронів]], не бере участь в [[сильна взаємодія|сильній взаємодії]], а тому домінуючим каналом втрати енергії при проходженні через шар речовини є втрати на [[іонізація|іонізацію]] аж до енергій 10<sup>11</sup>−10<sup>12</sup> еВ, а тому у цій області проникна здатність мюона пропорційна до енергії. На більших енергіях гальмівне випромінювання, а також втрати на [[Поділ ядра|розщеплення атомних ядер]] починають відігравати більшу роль, і лінійне зростання зупиняється{{sfn | Прохоров | 1992 | с=231}}.

Через свої властивості, мюони високих енергій мають значно більшу проникну здатність порівняно як з електронами, так і з адронами. Мюони, породжені зіткненнями частинок з [[космічні промені|космічних променів]] з атомами верхніх шарів атмосфери, реєструються навіть на глибині кількох кілометрів{{sfn | Прохоров | 1992 | с=231}}.

Повільні мюони можуть повністю зупинятись у речовині й захоплюватись атомами як електрони.

Для обчислення вільного пробігу мюона в речовині використовують таку величину як середні втрати енергії на за проліт одного сантиметра шляху у речовині густиною 1 г/см<sup>3</sup>. При енергії до 10<sup>12</sup> МеВ мюон втрачає приблизно 2 МеВ на г/см<sup>2</sup> прольоту<ref>{{cite web |url=http://www2.fisica.unlp.edu.ar/~veiga/experiments.html |назва=Muon basics |вебсайт=La Plata University |accessdate=7 квітня 2017 |archive-date=26 квітня 2017 |archive-url=https://web.archive.org/web/20170426102024/http://www2.fisica.unlp.edu.ar/~veiga/experiments.html }}{{ref-en}}</ref>. В діапазоні від 10<sup>12</sup> до 10<sup>13</sup> еВ ці втрати є більшими, і можуть бути наближено обчислені за формулою
: <math>\frac{dE}{dx}=2,6+3,5\cdot 10^{-6}E_{0\mu}</math> МеВ, де <math>E_{0\mu}</math>&nbsp;— початкова енергія мюона в МеВ<ref>{{cite journal|last1=Розенталь|first1=И.Л.|date=1968|title=Взаимодействие космических мюонов больших энергий|url=https://ufn.ru/ufn68/ufn68_1/Russian/r681e.pdf|journal=Успехи физических наук|volume=94|issue=1|pages=91–125|doi=10.3367/UFNr.0094.196801d.0091|accessdate=7 квітня 2017|archive-date=22 липня 2018|archive-url=https://web.archive.org/web/20180722152633/https://ufn.ru/ufn68/ufn68_1/Russian/r681e.pdf}}</ref>.

Таким чином можна бачити, що у воді високоенергетичний мюон може пролетіти кілометри, і навіть в залізі&nbsp;— сотні метрів.

== Використання ==

=== Мюонний каталіз ===
Основною складністю, що заважає будувати генератори на базі [[Ядерний синтез|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 [[сильна взаємодія|ядерні сили]].

Система з [[протон]]а 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 [[електронна оболонка|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, [[каталізатор]]ом процесу.

У випадку реакцій D-T, процес проходить наступним чином: [[дейтерій|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 [[тунельний ефект|тунелювали]] через [[Потенціальний бар'єр|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 [[Гелій-4|гелію-4]] і нейтрона, мюон має шанс приблизно в 1&nbsp;% «прилипнути» до гелію, і припинити свою подальшу каталітичну діяльність. Цей процес називають ''«отруєнням» каталізатора''.

Енергія, що виділяється за 100 D-T реакцій дорівнює 2000 [[Електронвольт|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, який утворюються при синтезі, для опромінення уранового бланкету, що буде спричиняти поділ ядра урану, або перетворення його у [[плутоній]]<ref>{{cite journal|last1=Карнаков|first1=Б.М.|date=1999|title=Мюонный катализ ядерного синтеза|url=http://nuclphys.sinp.msu.ru/mirrors/1999_12b.pdf|journal=Соросовский образовательный журнал|issue=12|pages=62-67|accessdate=7 квітня 2017|archive-date=15 лютого 2017|archive-url=https://web.archive.org/web/20170215010645/http://nuclphys.sinp.msu.ru/mirrors/1999_12b.pdf}}</ref>.

=== Мюонна томографія ===
Завдяки космічним променям на Землю постійно падає потік мюонів&nbsp;— в середньому на один квадратний сантиметр земної поверхні падає одна частинка за хвилину<ref>{{cite web|url=https://cms.cern/content/muon-tomography|title=Muon Tomography|website=CERN|accessdate=7 квітня 2017|archive-date=7 квітня 2017|archive-url=https://web.archive.org/web/20170407234217/https://cms.cern/content/muon-tomography}}{{ref-en}}</ref>. Якщо поставити мюонні детектори над і під деяким об'єктом, можна за різницею інтенсивності мюонів зробити висновки щодо його внутрішньої структури. Від більш звичної [[Рентгенографія|рентгенографії]] мюонна томографія відрізняється кількома важливими параметрами:<ref>{{cite web |url=https://nplus1.ru/material/2015/10/27/muons |назва=Упавшие с неба |автор=Игорь Иванов |дата=27.10.2015 |вебсайт=N+1 |accessdate=7 квітня 2017 |archive-date=7 квітня 2017 |archive-url=https://web.archive.org/web/20170407234149/https://nplus1.ru/material/2015/10/27/muons }}</ref>
* 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&nbsp;— пасивний метод аналізу. Він використовує лише природний мюонний фон, а отже не становить додаткової небезпеки для здоров'я.

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

У 1967—1968 роках частина [[Піраміда Хефрена|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<ref>{{cite journal |last1=Morris |first1=Christopher |last2=Bacon |first2=Jeffrey |last3=Borozdin |first3=Konstantin |last4=Fabritius |first4=Jeffrey |last5=Miyadera |first5=Haruo |last6=Perrya |first6=John |last7=Sugita |first7=Tsukasa |date=2014 |title=Horizontal cosmic ray muon radiography for imaging nuclear threats |url=https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0168583X14004583 |journal=Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms |volume=330 |pages=42-46 |doi=10.1016/j.nimb.2014.03.017 |accessdate=5 березня 2021 |archive-date=30 квітня 2021 |archive-url=https://web.archive.org/web/20210430103559/https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0168583X14004583 }}</ref>.

=== Мюонний колайдер ===
Існують пропозиції побудови [[колайдер]]ів мюонів та антимюонів, які б могли замінити електрон-позитронні колайдери<ref>{{Cite news|title=Detector and Physics Performance at a Muon Collider|last3=Buonincontri|first9=D.|last8=Gianelle|first8=A.|last7=Ferrari|first7=A.|last6=Ferrari|first6=A.|last5=Collamati|first5=F.|last4=Casarsa|first4=M.|first3=L.|url=https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1748-0221/15/05/P05001|last2=Bertolin|first2=A.|last=Bartosik|first=N.|issue=05|volume=15|pages=P05001–P05001|doi=10.1088/1748-0221/15/05/P05001|issn=1748-0221|accessdate=2021-01-24|date=2020-05-04|work=Journal of Instrumentation|last9=Lucchesi|archive-date=25 квітня 2021|archive-url=https://web.archive.org/web/20210425195613/https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1748-0221/15/05/P05001}}</ref>. Електрони через свою малу 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 [[Бозон Хіггса|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.

== Див. також ==
* [[Аномальний магнітний момент мюона]]

== Примітки ==
{{reflist|2|refs=
<ref name=Discovery2021>{{cite journal
|url = https://www.nationalgeographic.com/science/article/ultra-precise-experiment-finds-hints-of-unseen-particles-in-the-universe
|title = New experiment hints that a particle breaks the known laws of physics
|journal = [[National Geographic (журнал)]]
|language = en
|date = 7 квітня 2021
|accessdate = 8 квітня 2021
|archive-date = 8 квітня 2021
|archive-url = https://web.archive.org/web/20210408125601/https://www.nationalgeographic.com/science/article/ultra-precise-experiment-finds-hints-of-unseen-particles-in-the-universe
}}</ref>

}}

== Джерела ==
* {{книга
|автор        = [[Давидов Олександр Сергійович|Давидов О. С.]]
|назва        = Квантова механіка
|рік          = 2012
|видавництво  = Академперіодика
|місто        = {{Comment|К.|Київ}}
|сторінок     = 706
}}
* {{книга
|автор        = L.M Brown, H. Rechenberg
|назва        = The Origin of the Concept of Nuclear Forces
|рік          = 1996
|видавництво  = Institute of Physics Publishing
|місто        = Bristol
|сторінок     = 392
|ref          = Brown,Rechenberg
}}
* {{книга
|автор        = G. Fraser
|назва        = The Particle Century
|рік          = 1998
|видавництво  = Institute of Physics Publishing
|місто        = Bristol
|сторінок     = 232
|isbn         = 9780367400705
|ref          = Fraser
}}
* {{книга
 |автор          = Прохоров О.М.
 |частина        = Магнитоплазменный — Поинтинга теорема
 |заголовок      = Физическая энциклопедия
 |посилання      = http://femto.com.ua/articles/part_1/2381.html
 |місце          = М.
 |видавництво    = Научное издательство «Большая российская энциклопедия»
 |рік            = 1992
 |том            = 3
 |сторінок       = 672
 |isbn           = 5-8527-0019-3
 |ref            = Прохоров
}}

{{частинки}}
{{Добра стаття}}
[[Категорія:Лептони]]