میون (Muon): ذره بنیادی مشابه الکترون با جرم بیشتر
یک کشف غیرمنتظره: از پرتوهای کیهانی تا آزمایشگاه
در سال 1936، فیزیکدانان کارل اندرسون[1] و ستث ندرمیر[2] در حال مطالعه پرتوهای کیهانی بودند. این پرتوها ذرات پرانرژی هستند که از اعماق فضا به زمین برخورد میکنند. آنها با استفاده از ابرغبار (اتاقک ابر)[3]، رد یک ذره ناشناخته را دیدند که شبیه به الکترون بود، اما در میدان مغناطیسی به اندازهای که انتظار داشتند خم نمیشد. این نشان میداد که ذره جدید، جرم بیشتری نسبت به الکترون دارد. این کشف چنان غیرمنتظره بود که فیزیکدان بزرگ، آیزاک رابى[4] با تعجب گفت: «چه کسی این را سفارش داد؟» چون در آن زمان مدلی برای وجود چنین ذرهای وجود نداشت.
میون نخستین بار در پرتوهای کیهانی شناسایی شد. این پرتوها دائماً از فضا به زمین میبارند و با مولکولهای جو برخورد کرده و ذرات ثانویه زیادی از جمله میون تولید میکنند. امروزه میتوانیم میونها را در شتابدهندههای ذرات مانند سرن[5] نیز به مقدار زیاد تولید کنیم.
| ویژگی | الکترون (e) | میون (μ) | تاو (τ) |
|---|---|---|---|
| بار الکتریکی | -1 (واحد بار بنیادی) | -1 | -1 |
| خانواده | لپتون[6] نسل اول | لپتون نسل دوم | لپتون نسل سوم |
| جرم نسبی (بر حسب جرم الکترون) | 1 | ≈207 | ≈3477 |
| میانگین عمر | پایدار (تاکنون واپاشی مشاهده نشده) | 2.2 میکروثانیه[7] | 0.29 پیکوثانیه[8] |
ویژگیهای کلیدی: یک الکترون سنگین وزن
میون دقیقاً مانند الکترون بار منفی دارد و با نیروی الکترومغناطیس تعامل میکند. همچنین یک ذره فرمیون[9] است، یعنی از اصل طرد پائولی[10] پیروی میکند. اما مهمترین تفاوت آن جرم بیشتر است. جرم میون حدود 105.7 مگاالکترونولت بر $c^2$ است. اگر بخواهیم با مثال بگوییم: الکترون مانند یک توپ پینگپنگ سبک است، میون مانند یک توپ تنیس، و تاو (سنگینترین لپتون باردار) مانند یک توپ بولینگ!
ویژگی دیگر میون، ناپایداری آن است. یک میون آزاد به طور میانگین فقط 2.2 میلیونیم ثانیه عمر میکند و سپس به ذرات سبکتر واپاشی[11] میکند.
میون در آزمایشهای مرز دانش: پنجرهای به فیزیک ناشناخته
میون به دلیل جرم خاص و عمر نه خیلی کوتاه و نه خیلی بلند، ابزار ایدهآلی برای آزمایش نظریههای فیزیک است. یکی از مهمترین آزمایشها، اندازهگیری گشتاور مغناطیسی ناهنجار[13] میون است که با نماد $g-2$ (جیمنهای دو) شناخته میشود.
همه ذرات باردار مانند آهنرباهای کوچکی رفتار میکنند. قدرت این آهنربا با عددی به نام $g$ توصیف میشود. نظریه استاندارد فیزیک ذرات مقداری دقیق برای $g$ پیشبینی میکند، اما در واقعیت ذرات با ابری از ذرات مجازی در تعاملند که این مقدار را کمی تغییر میدهد. به این تفاوت $g-2$ میگویند. اندازهگیریهای اخیر در آزمایشگاه فرمیلب[14] نشان میدهد که مقدار اندازهگیری شده $g-2$ برای میون، با پیشبینی نظریه استاندارد کمی اختلاف دارد. این اختلاف کوچک میتواند نشانهای از وجود ذرات یا نیروهای کاملاً جدیدی در طبیعت باشد که هنوز کشف نشدهاند! به عبارتی، میون به عنوان یک حسگر فوقحساس، در حال رصد «فیزیک جدید» است.
کاربردهای شگفتانگیز: از باستانشناسی تا آتشفشانشناسی
شاید فکر کنید این ذرات ناپایدار فقط در آزمایشگاه کاربرد دارند، اما اشتباه است! میونهای پرانرژی موجود در پرتوهای کیهانی، ابزاری قدرتمند برای تصویربرداری از ساختمانهای بزرگ و متراکم هستند. این تکنیک میوننگاری[15] یا تصویربرداری میونی نام دارد.
مثال عملی ۱: در دهه 1960، لوئیس آلوارز[16] از میوننگاری برای جستجوی اتاقهای پنهان در هرم خفرع در مصر استفاده کرد. ایده این است: میونها در برخورد با سنگهای ضخیم جذب یا منحرف میشوند. اگر در مسیر آنها فضای خالی (مثل یک اتاق) وجود داشته باشد، تعداد بیشتری از میونها از آن ناحیه عبور میکنند. با قرار دادن آشکارساز در زیر هرم، میتوان یک نقشه از تراکم مواد درون هرم رسم کرد.
مثال عملی ۲: دانشمندان از همین روش برای مطالعه درون آتشفشانها استفاده میکنند. با قرار دادن آشکارسازهای میونی در دامنه کوه، میتوان تغییرات چگالی مواد مذاب درون مجراهای آتشفشان را رصد کرد. این اطلاعات به پیشبینی فورانها کمک میکند. گاهی حتی از این روش برای بررسی محتوای کانتینرهای بزرگ بار در بنادر نیز استفاده میشود.
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
خیر. میون یک ذره بنیادی است، یعنی تا جایی که میدانیم از اجزای کوچکتری ساخته نشده است. در حالی که اتم از الکترونها، پروتونها و نوترونها تشکیل شده و خود پروتون و نوترون از کوارکها ساخته شدهاند.
میونهای پرانرژی حاصل از برخورد پرتوهای کیهانی با سرعتهایی نزدیک به نور حرکت میکنند. بر اساس نظریه نسبیت خاص اینشتین، برای ناظری روی زمین، زمان برای ذرات پرسرعت کندتر میگذرد ([17]). بنابراین، از دید ما عمر میون طولانیتر میشود و فرصت میکند قبل از واپاشی، دهها کیلومتر در جو را طی کرده و به سطح زمین برسد.
بله! در هر ثانیه چند صد میون از بدن هر یک از ما عبور میکند. این میونهای طبیعی بخشی از پرتوهای کیهانی زمینهای هستند و معمولاً بیخطرند، زیرا انرژی و شدت زیادی ندارند. بدن ما به این سطح از تابش طبیعی عادت دارد.
پاورقی
[1] Carl Anderson. [2] Seth Neddermeyer. [3] Cloud Chamber. [4] Isidor Isaac Rabi. [5] CERN: سازمان اروپایی پژوهشهای هستهای. [6] Lepton: خانوادهای از ذرات بنیادی که تحت نیروی هستهای قوی تعامل نمیکنند. الکترون، میون، تاو و نوترینوهای مربوطه اعضای این خانواده هستند. [7] میکروثانیه: یک میلیونیم ثانیه. [8] پیکوثانیه: یک هزارمیلیاردیم ثانیه. [9] Fermion: دستهای از ذرات که اسپین نیمعدد صحیح دارند و از اصل طرد پائولی پیروی میکنند. [10] Pauli Exclusion Principle: در یک سیستم کوانتومی، دو فرمیون یکسان نمیتوانند تمام اعداد کوانتومی یکسان داشته باشند. [11] Decay: فرآیندی که در آن یک ذره ناپایدار به ذرات دیگر با جرم کل کمتر تبدیل میشود. [12] Weak Nuclear Force: یکی از چهار نیروی بنیادی که مسئول برخی واپاشیها (مانند واپاشی بتا) است. [13] Anomalous Magnetic Moment. [14] Fermilab: آزمایشگاه ملی فرمی در ایالات متحده. [15] Muography. [16] Luis Alvarez. [17] Time Dilation.
