Muón

Un muón é unha partícula elemental semellante ao electrón, con carga eléctrica unitaria negativa de -1 e un spin de 1⁄2, pero cunha masa moito maior (105,7 MeV/c²). É clasificado como un leptón, do mesmo xeito que o electrón (masa de 0,511 MeV/c²), o tau (masa de 1777,8 MeV/c²) e os tres neutrinos. Como é o caso doutros leptóns, non se cre que o múon teña subestrutura ningunha; ou sexa, non presenta partículas máis simples, resultando diso o ser partícula elemental.

O muón é unha partícula subatómica inestable, cunha vida media de 2,2 µs. Entre todas as partículas subatómicas inestables coñecidas, só o neutrón e algúns núcleos atómicos teñen unha vida útil máis longa; outros decaen moito máis rápido. O decaemento do muón sempre produce, polo menos, tres partículas, que deben incluír un electrón da mesma carga que o muón e dous neutrinos de distintos tipos.

Como todas as partículas elementais, o muón ten unha antipartícula correspondente de carga oposta, mais coa mesma masa e o mesmo spin: o antimuón (tamén chamado muón positivo). Os muóns presentan μ- e os antimuóns presentan μ+ (ou sexa, cargas opostas, como ocorre tamén entre o electrón e o positrón). Os muóns chamáronse anteriormente mesóns Mu, pero os físicos de partículas modernos non os clasifican como mesóns e, por este motivo, a comunidade científica non lles aplica hoxe este termo.

Os muóns teñen unha masa de 105,7 MeV/c², que é preto de 200 veces maior cá do electrón. Por mor da súa maior masa, os muóns non sofren grandes aceleracións cando se atopan con campos electromagnéticos e non emiten tanta radiación de desaceleración (bremsstrahlung). Iso permite que os muóns dunha enerxía determinada penetren máis profundamente na materia que os electróns, tendo en conta que a desaceleración de electróns e muóns se debe principalmente á perda de enerxía polo mecanismo bremsstrahlung. Como exemplo, os chamados muóns secundarios, xerados por raios cósmicos que chega á atmosfera, poden penetrar na superficie da Terra e, mesmo, en minas profundas.

Xa que os muóns teñen unha grande masa e enerxía en comparación coa enerxía de decaemento da radioactividade, nunca se producen por decaemento radioactivo. Prodúcense, pola contra, en grandes cantidades en interaccións de alta enerxía en materia normal, en certos experimentos do acelerador de partículas con hadróns ou naturalmente nas interaccións de raios cósmicos coa materia. Esas interaccións adoitan producir mesóns, que na maioría das veces decaen a muóns.

Historia

Os muóns foron descubertos por Carl D. Anderson e Seth Neddermeyer no Caltech, en 1936, ao estudar a radiación cósmica. Carl Anderson notara partículas que curvaban dun xeito distinto dos electróns e outras partículas coñecidas cando pasaban por un campo magnético. Estes cargábanse negativamente, mais curvaban acentuadamente menos que os electróns, aínda que de xeito máis acentuado que os protóns, para partículas de mesma velocidade. Asúmese que a magnitude da súa carga eléctrica negativa é igual á do electrón e, daquela, para ter en conta a diferenza de curvatura, supúxose que a súa masa era maior cá do electrón, aínda que menor da dun protón. Así Anderson denominou inicialmente a nova partícula mesotrón, adoptando o prefixo meso da palabra grega para "medio". A existencia do muón foi confirmada en 1937 polo experimento da cámara de nube feito por J.C. Street e CE Stevenson.

O físico teórico Hideki Yukawa xa previra unha partícula cunha masa semellante ó mesón antes da descuberta de ningún mesón:

"Parece natural modificar a teoría de Heisenberg e Fermi, da seguinte maneira: a transición dunha partícula pesada a partir do estado de neutrón para o estado de protón non vai sempre acompañada pola emisión de fotóns; a transición é por veces ocupada por outra partícula pesada."

Por mor da súa masa, pensouse inicialmente que o mesón mu era a partícula de Yukawa, pero máis tarde probouse que posuía propiedades diferentes das requiridas. A partícula prevista por Yukawa, o mesón pi, foi finalmente identificada en 1947 (de novo a partir de interaccións de raios cósmicos), e amosou ser distinto do mesón mu descuberto anteriormente por ter as propiedades correctas para ser unha partícula que media a forza nuclear.

Con dúas partículas coñecidas agora coa masa intermediaria, o termo xeral mesón foi adoptado para se referir a calquera partícula dentro da faixa de masa correcta entre electróns e núcleos. Fóra diso, co fin de diferenciar entre os dous tipos distintos de mesóns tras a descuberta do segundo mesón, a partícula mesotrón foi inicialmente renomeada como mesón mu, muón (a letra grega μ (mu) corresponde a m) e o novo mesón descuberto en 1947 (partícula de Yukawa ) foi nomeado como mesón pi, pión.

Máis tarde, ao se descubriren máis tipos de mesóns en experimentos nos aceleradores de partículas, descubriuse finalmente que o mesón mu difería significativamente non só do mesón pi (de aproximadamente a mesma masa), senón tamén de todos os outros tipos de mesóns. A diferenza, en parte, é que os muóns non interactúan coa forza nuclear, como fan os mesóns pi (como estaban destrinados a facer, na teoría de Yukawa). Mesóns máis recentes tamén amosaron evidencias de se comportaren como o mesón pi en interaccións nucleares, mais non como o mesón mu. Á parte diso, os produtos resultantes do decaemento dos muóns incluían tanto un neutrino como un antineutrino, ao contrario de só un ou outro, como se observa no decaemento doutros mesóns cargados.

No eventual modelo patrón da física de partículas codificadas na década de 1970, todos os outros mesóns, agás o muón, foron finalmente entendidos como hadróns, ou sexa, partículas feitas de quarks e, xa que logo, suxeitas á forza nuclear. No modelo de quark, un mesón xa non era definido pola masa, senón que eran partículas compostas de exactamente dous quarks (un quark e antiquark), ao contrario dos barións, que se definen como partículas compostas por tres quarks (protóns e neutróns son os barións máis leves). Os mesóns mu, no entanto, amosáranse como partículas fundamentais (leptóns), como os electróns, sen estrutura quark. Daquela, os mesóns mu non eran mesóns de ningún xeito, no novo sentido. O termo "mesón" úsase como o modelo de quark da estrutura da partícula.

Con este cambio na definición, o termo "mesón mu" foi abandonouse e substituíuse, cando é posible, polo termo moderno muón. No novo modelo de quark, ás veces, continuou a referirse a outros tipos de mesóns na terminoloxía máis curta (por exemplo, pión de mesón pi), mais no caso do muón, mantivo o nome máis curto e nunca máis foi debidamente referido polo seu termo máis vello "mesón mu".

No experimento de Rossi-Hall (1941), os muóns usáronse para observar a dilatación do tempo prevista pola relatividade especial, por primeira vez.

No 2021, no experimento Muón g-2, establécese que o valor do factor g-2 é anómalo en relación coa teoría do Modelo estándar de física de partículas. O valor queda en 2,00233184122(82) (entre paréntese a incerteza).

Átomos muónicos

O muón foi a primeira partícula elemental descuberta que non se atopa en átomos comúns. Os muóns negativos poden, no entanto, formar átomos muónicos, a través da substitución dun electrón nos átomos comúns. Os átomos muónicos de hidróxeno son moito menores que os típicos átomos de hidróxeno, porque a masa do muón que é moito maior lle dá unha función de onda do estado fundamental moito máis localizada do que se observa no electrón. En átomos de multielectróns, cando só un dos electróns é substituído por un muón, o tamaño do átomo continúa a ser determinado polos outros electróns e o tamaño atómico queda case inalterado. No entanto, nestes casos, a orbital do muón continúa a ser menor e moito máis preto do núcleo que as orbitais atómicas dos electróns.

O helio muónico créase pola substitución dun dos electróns por un muón no helio-4. As órbitas do muón quedan máis preto do núcleo e así o helio muónico sería como un isótopo do hidróxeno cuxo núcleo consiste en dous neutróns, dous protóns e un muón, cun único electrón fóra. Coloquialmente, poderíase chamar "hidróxeno 4.1", tendo en conta que a masa do muón é aproximadamente 0,1 u. Quimicamente, o helio muónico posúe un electrón de valencia non pareado, e pode ligarse con outros átomos, comportándose máis como un átomo de hidróxeno que como un inerte átomo de helio.

Un muón positivo, no medio de materia común, tamén pode vincular un electrón e formar un átomo exótico coñecido como muonio (Mu), no que o muón actúa como o núcleo. O muón positivo, neste contexto, pode ser considerado un pseudoisótopo do protio (hidróxeno con só un protón no núcleo). Ao ser a masa do muonio reducida, de aí o seu raio de Bohr, queda moi próximo da de hidróxeno. Este "átomo" de curta duración compórtase quimicamente (nunha primeira aproximación) como o protio, o deuterio e o tricio.

Notas

Partículas fundamentais en Física (lista, táboa)
Fermións						Bosóns de Gauge
Quarks			Leptóns			Bosóns W e Z	Fotón	Gluón
Arriba	Encantado	Cume	Electrón	Muón	Tau (tauón)	Bosóns hipotéticos
Abaixo	Estraño	Fondo	e-neutrino	μ-neutrino	τ-neutrino	Gravitón    Bosón de Higgs
Outras clases, partículas compostas e outras
barión - gravitino - hadrón - kaón - mesón - neutrón - pión - positrón - protón
Termos relacionados
antimateria - partícula subatómica