Belangrijkste punten

• Muonen zijn elementaire deeltjes die lijken op elektronen, maar met een grotere massa.
• Ze ontstaan ​​op natuurlijke wijze in kosmische straling en spelen een cruciale rol in experimenten met deeltjesfysica.
• Muonen hebben unieke eigenschappen die ze nuttig maken voor het bestuderen van fundamentele natuurkundige concepten.

Wat is ongeveer 200 keer de massa van een elektron, bestaat ongeveer 2 miljoenste van een seconde, raakt voortdurend elke centimeter van het aardoppervlak en lijkt zich te gedragen op een manier die een gat slaat in lang geaccepteerde natuurwetten? P>

Dat zou het muon zijn, een deeltje dat eind jaren dertig voor het eerst werd ontdekt en dat in de natuur wordt gevormd wanneer kosmische straling deeltjes in de atmosfeer van onze planeet treft. Muonen gaan door jou en alles om je heen heen met een snelheid die dicht bij die van het licht ligt. Niettemin realiseerden velen van ons zich waarschijnlijk pas in april 2021 van hun bestaan, toen het deeltje de krantenkoppen haalde nadat onderzoekers van het Fermi National Accelerator Laboratory van de Amerikaanse overheid – beter bekend als Fermilab – de eerste resultaten bekendmaakten van een driejarig onderzoek. -lang Muon g-2-experiment.

De studie van Fermilab bevestigde eerdere bevindingen dat het muon zich gedraagt ​​op een manier die in strijd is met het Standaardmodel van de Deeltjesfysica, het theoretische raamwerk dat tot doel heeft te beschrijven hoe de werkelijkheid op het kleinste niveau werkt. Zoals dit artikel in Science uitlegt, zijn muonen – die voorkomen in een zee van andere kleine deeltjes en antideeltjes die hen beïnvloeden – feitelijk iets magnetischer dan het Standaardmodel zou voorspellen. Dat wijst op zijn beurt op het mogelijke bestaan ​​van andere, nog onbekende deeltjes of krachten.

Zoals een van de onderzoekers, natuurkundige Jason Bono, uitlegde in een persbericht van zijn alma mater Florida International University, wist het team dat als ze de discrepantie in het magnetisme van muonen zouden bevestigen, “we niet precies zouden weten wat de oorzaak ervan is, maar we zouden weten dat het iets is dat we nog niet begrijpen."

De eerste resultaten, samen met ander recent deeltjesonderzoek, zouden kunnen bijdragen aan het pleiten voor een nieuwe natuurkunde die het Standaardmodel zou vervangen. Van Fermilab is hier een YouTube-video waarin de resultaten en hun betekenis worden uitgelegd:

"Muonen zijn als elektronen, alleen zijn ze 200 keer zwaarder", legt Mark B. Wise uit in een e-mailinterview. Hij is hoogleraar hoge-energiefysica aan het California Institute of Technology en lid van de prestigieuze National Academy of Sciences. (Als dat nog niet voldoende indruk op je maakt, was hij ook technisch adviseur op het gebied van deeltjesversnellers voor de Hollywood-film "Iron Man 2" uit 2010).

‘Volgens Einsteins formule E=mc2 betekent dit dat muonen in rust meer energie hebben dan elektronen’, zegt Wise. "Hierdoor kunnen ze vervallen tot lichtere deeltjes, terwijl ze toch in het algemeen energie besparen."

Een ander belangrijk verschil is dat wordt aangenomen dat elektronen vrijwel onsterfelijk zijn, maar muonen bestaan ​​slechts 2,2 miljoenste van een seconde, voordat ze vervallen in een elektron en twee soorten neutrino's, volgens deze inleiding van het Amerikaanse ministerie van Energie over het deeltje.

De muonen die voortdurend ontstaan ​​wanneer kosmische straling deeltjes in de atmosfeer van de aarde treffen, leggen tijdens hun korte bestaan ​​verbazingwekkende afstanden af, waarbij ze zich bijna met de snelheid van het licht voortbewegen. Ze raken elke centimeter van het aardoppervlak en passeren vrijwel alles op hun directe pad, waarbij ze potentieel een mijl of meer in het aardoppervlak kunnen doordringen, aldus DOE.

Sommigen hebben muonen beschreven als de sleutel tot het begrijpen van alle subatomaire deeltjes, hoewel Wise niet zo ver gaat. "In de zoektocht naar natuurkunde die ons huidige begrip te boven gaat, zou je alle deeltjes moeten bestuderen", zegt hij. "Het muon heeft echter enkele voordelen. Het afwijkende magnetische moment wordt bijvoorbeeld zeer nauwkeurig voorspeld, waardoor het gevoeliger wordt voor nieuwe natuurkunde, buiten onze huidige theorie die deze voorspelling zou veranderen. Tegelijkertijd kan het zeer nauwkeurig worden gemeten." /P>

Het bestuderen van muonen is echter niet eenvoudig. Fermilab gebruikt een apparaat van 700 ton (635 ton) met drie ringen, elk met een diameter van 50 voet (15 meter), dat een paar jaar per binnenschip en vrachtwagen naar Illinois is verscheept vanuit zijn oorspronkelijke thuisbasis in het Brookhaven National Laboratory in New York. rug. Het apparaat kan een magnetisch veld van 1,45 Tesla genereren, ongeveer 30.000 maal dat van het magnetisch veld van de aarde.

"Het is fascinerend dat ze voor het bestuderen van zoiets kleins en van korte duur enorme apparaten nodig hebben", legt Wise uit. "Als ze met hoge energie worden geproduceerd, reizen ze bijna met de snelheid van het licht en kunnen ze een behoorlijke afstand afleggen voordat ze vergaan. Je zou dus naar het bewijsmateriaal kunnen zoeken dat ze achterlaten in een detector."

Omdat muonen bijvoorbeeld geladen deeltjes zijn, kunnen ze de materie waar ze doorheen gaan ioniseren. De elektronen die bij deze ionisatie vrijkomen, kunnen volgens Wise worden gedetecteerd.

Wise zegt dat de recente ontdekking van het Fermilab-team dat het deeltje iets magnetischer is dan natuurkundigen verwachtten, significant is. "Het is het niet eens met de voorspelling van de huidige theorieën voor het magnetische moment van muonen (de huidige theorie wordt gewoonlijk het standaardmodel genoemd). Er is dus een nieuwe natuurkunde die verder gaat dan die in onze huidige theorie die aanwezig is en de voorspelling voor deze hoeveelheid verandert", zegt Wise. zegt

Zoals veel belangrijke ontdekkingen roept de vondst van het Fermilab nog meer nieuwe vragen op, en er is nog veel dat wetenschappers nog willen weten over het muon.

"Wat is de nieuwe natuurkunde, is de vraag die deze oproept", zegt Wise. "Er zijn ook enkele andere afwijkingen die niet worden verklaard in het [Standaardmodel] waarbij muonen betrokken zijn. Zijn ze allemaal op de een of andere manier met elkaar verbonden?"

Wise laat ook een waarschuwing horen over de bevindingen van Fermilab. "Het kan zijn dat er een systematisch effect in het experiment zit dat niet wordt begrepen en dat de interpretatie van de meting beïnvloedt", legt hij uit. "Hetzelfde geldt voor de theorie. Deze anomalie zou dus uiteindelijk kunnen verdwijnen. Het is heel belangrijk om zulke dingen zoveel mogelijk te controleren."

Dat is interessant

Zoals natuurkundige Chris Polly van Fermilab in dit essay uit 2020 opmerkt, wordt elk deeltje in het universum – zelfs in de diepste, meest schijnbaar lege ruimtes van de ruimte – omringd door een ‘entourage’ van andere deeltjes, die voortdurend ‘in en uit knipperen. "

Veelgestelde vragen

Hoe worden muonen gedetecteerd en gemeten in wetenschappelijke experimenten?

Muonen worden gedetecteerd en gemeten met behulp van scintillatoren, fotografische emulsies of deeltjesversnellers, die de interacties van muonen met materie vastleggen en analyseren.

Wat zijn enkele potentiële toepassingen van muon-beeldvormingstechnologie buiten wetenschappelijk onderzoek?

Muon-beeldvormingstechnologie kan op niet-invasieve wijze interne structuren van objecten scannen en visualiseren, verborgen kamers in archeologische vindplaatsen of geologische formaties detecteren en materialen of stoffen identificeren die verborgen zijn in vracht of containers, wat innovatieve oplossingen biedt voor verkenning, veiligheid en milieumonitoring.