Myon

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 der Schwachen, nicht aber der Starken Wechselwirkung.

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. Das Antiteilchen des Myons, das positive Myon oder Antimyon μ ⁺ , ist wie das Positron einfach positiv geladen.

Entdeckt wurden die Myonen in der Kosmischen Strahlung (siehe auch unten). Künstlich können sie mit Hochenergie-Teilchenbeschleunigern erzeugt werden.

Das freie Myon zerfällt gemäß dem rechts abgebildeten Feynman-Diagramm in ein Myonneutrino, ein Antielektronneutrino und ein Elektron^[1]. 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.

Die experimentell bestimmte mittlere Lebensdauer des positiven Myons beträgt 2,19703 +/- 0,00004 µs. Das negative Myon hat in Materie einen zusätzlichen Zerfallskanal entsprechend dem K-Einfang durch ein Proton, wodurch es zu einem Neutron und Neutrinos reagiert. Dadurch ist die experimentell bestimmbare mittlere Lebensdauer des negativen Myons ca. 1 Promille kleiner als die des positiven Myons ^[2].

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Magnetische Anomalie des Myons

Myonen eignen sich besonders gut, um fundamentale Kräfte in der Physik auf höchstem Präzisionsniveau zu studieren. Als Leptonen sind sie nach heutigem Kenntnisstand als punktförmig anzusehen. Damit lassen sich ihre Eigenschaften sehr präzise im Rahmen der Quantenelektrodynamik berechnen. Der Einfluss anderer Kräfte als der elektromagnetischen Kraft ist klein, aber durch virtuelle Teilchen, die das Myon umgeben, beobachtbar. Das führt zu einer Abweichung der magnetischen Eigenschaften des Myons.

Eine Präzisionsmessung dieser magnetischen Anomalie wurde am Brookhaven National Laboratory ^[3] von einer weltweiten Kollaboration um das Jahr 2000 durchgeführt. Sollte es andere als die der Teilchenphysik derzeit bekannten Teilchen geben, und diese nicht allzu große Massen haben, dann müssten sie sich 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 µs 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 (Pauli-Prinzip), dass sich keine zwei Fermionen in ein und demselben System 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, . Dies wäre ein eindeutiges Zeichen sogenannter Neuer Physik, was bedeutet, dass dieser Prozess im Standardmodell der Teilchenphysik nicht vorgesehen ist.

Antimyonen mit ihrer positiven Ladung können hingegen, ähnlich wie Protonen oder Positronen, selber ein Elektron einfangen. Es entsteht ein exotisches Atom: das Myonium.

Myonen-katalysierte Fusion

Wird ein Myon in einem Deuterium- oder einem Deuterium-Tritium-Molekül (D₂ bzw. DT) eingefangen, 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 Atomkerne einander etwa 200 mal näher als in einem elektronischen Molekül. Das ermöglicht durch den Tunneleffekt die Fusion der beiden Kerne. Die sehr große durch die Fusion frei werdende Energie (bei D+D rund 3 MeV, bei D+T 14 MeV) setzt auch das Myon wieder frei, und es kann je nach den Umgebungsbedingungen während seiner Lebensdauer viele weitere (Größenordnung 100) Einzelfusionen katalysieren.

Um mit dieser myonisch katalysierten Kernfusion Nutzenergie zu produzieren, müsste man aus den rund 100 Einzelfusionen mehr Energie gewinnen können, als zur Erzeugung des Myons notwendig ist. Die bisher erzielten Wirkungsgrade der Teilchenbeschleuniger-Anlagen, mit denen Myonen produziert werden können, reichen dazu nicht aus.

Die Myonen-katalysierte Fusion ist auch unter dem Namen Kalte Fusion bekannt. Sie wurde ursprünglich von Andrei Sacharow vorgeschlagen.

Kosmische Strahlung

Die Flussdichte kosmischer Myonen beträgt in Meereshöhe 0,01 cm^-2 s^-1, wobei das Verhältnis von µ⁺/µ^- etwa 1,2 beträgt. Myonen sind einer der Hauptbestandteile der sekundären kosmischen Strahlung, d. h., sie entstehen in etwa 10 km Höhe durch Reaktionen der eigentlichen kosmischen Strahlung (vor allem Protonen) mit Atomkernen der Atmosphäre. Dabei entstehen zunächst Pionen und zu einem kleineren Teil Kaonen. Beim Zerfall dieser sehr kurzlebigen Teilchen durch schwache Wechselwirkung entstehen u. a. Myonen und Myonneutrinos. Wegen der relativistischen Zeitdilatation können diese trotz der kurzen Halbwertszeit die Erdoberfläche erreichen; ohne diesen relativistischen Effekt würde die Reichweite nur ca. 600 m betragen.

Fußnoten und Einzelnachweise

1. ↑ ^{a b} Im Diagramm ist als Zerfallsprodukt ein in der Zeit rückläufiges Neutrino eingezeichnet, was einem Antineutrino entspricht
2. ↑ S. L. Meyer et al.; Precision Lifetime Measurements on Positive and Negative Muons; Phys. Rev. 132, 2693–2698 (1963)) [1]
3. ↑ The E821 Muon (g-2) Home Page

Videos

• RealVideo: Was sind Myonen? (aus der Fernsehsendung Alpha Centauri)

Videos aus Vorlesungen der Universität Tübingen über Zeitdilatation und u. a. über das Myon