Myon

Muon ⓘ

Der kosmische Strahlenschatten des Mondes, sichtbar an den sekundären Myonen, die von der kosmischen Strahlung in der Atmosphäre erzeugt und 700 Meter unter der Erde mit dem Soudan-2-Detektor nachgewiesen wurden
Zusammensetzung	Elementarteilchen
Statistik	Fermionisch
Familie	Lepton
Generation	Zweite
Wechselwirkungen	Schwerkraft, Elektromagnetismus, Schwache
Symbol	μ−
Antiteilchen	Antimuon ( μ+ )
Entdeckt	Carl D. Anderson, Seth Neddermeyer (1936)
Masse	1,883531627(42)×10-28 kg 105,6583755(23) MeV/c2 0,1134289259(25) Da
Mittlere Lebensdauer	2.1969811(22)×10-6 s
Zerfälle in	e- , ν e, ν μ (am häufigsten)
Elektrische Ladung	-1 e
Farbige Ladung	Keine
Spin	1/2
Schwacher Isospin	LH: -1/2, RH: 0
Schwache Hyperladung	LH: -1, RH: -2

Ein Myon (/ˈmjuːɒn/ MYOO-on; nach dem griechischen Buchstaben mu (μ), der für das Myon steht) ist ein dem Elektron ähnliches Elementarteilchen mit einer elektrischen Ladung von -1 e und einem Spin von 1⁄2, aber mit einer viel größeren Masse. Es wird zu den Leptonen gezählt. Wie bei den anderen Leptonen ist auch beim Myon keine Substruktur bekannt, d. h. es wird nicht angenommen, dass es aus einfacheren Teilchen besteht. ⓘ

Das Myon ist ein instabiles subatomares Teilchen mit einer mittleren Lebensdauer von 2,2 μs, viel länger als viele andere subatomare Teilchen. Wie der Zerfall des nicht elementaren Neutrons (mit einer Lebensdauer von etwa 15 Minuten) ist auch der Myon-Zerfall (nach subatomaren Maßstäben) langsam, weil der Zerfall nur durch die schwache Wechselwirkung (und nicht durch die stärkere starke oder elektromagnetische Wechselwirkung) vermittelt wird und weil der Massenunterschied zwischen dem Myon und der Menge seiner Zerfallsprodukte gering ist, was wenige kinetische Freiheitsgrade für den Zerfall bietet. Beim Myon-Zerfall entstehen fast immer mindestens drei Teilchen, darunter ein Elektron mit der gleichen Ladung wie das Myon und zwei Arten von Neutrinos. ⓘ

Wie alle Elementarteilchen hat auch das Myon ein entsprechendes Antiteilchen mit entgegengesetzter Ladung (+1 e), aber gleicher Masse und gleichem Spin: das Antimuon (auch positives Myon genannt). Myonen werden bezeichnet mit
μ⁻
und Antimuonen mit
μ⁺
. Früher wurden Myonen als "Mu-Mesonen" bezeichnet, werden aber von modernen Teilchenphysikern nicht als Mesonen eingestuft (siehe § Geschichte), und diese Bezeichnung wird von der Physikgemeinschaft nicht mehr verwendet. ⓘ

Myonen haben eine Masse von 105,66 MeV/c², das ist etwa das 207-fache der Masse des Elektrons, me. Genauer gesagt beträgt sie 206,7682830(46) me. Es gibt noch ein drittes Lepton, das Tau, das etwa 17-mal so schwer ist wie das Myon. ⓘ

Aufgrund ihrer größeren Masse beschleunigen Myonen in elektromagnetischen Feldern langsamer als Elektronen und senden weniger Bremsstrahlung aus. Dadurch können Myonen mit einer bestimmten Energie viel tiefer in die Materie eindringen, da die Abbremsung von Elektronen und Myonen in erster Linie auf den Energieverlust durch Bremsstrahlung zurückzuführen ist. So können beispielsweise so genannte "sekundäre Myonen", die durch den Aufprall kosmischer Strahlung in der Atmosphäre entstehen, die Atmosphäre durchdringen und die Landoberfläche der Erde und sogar tiefe Minen erreichen. ⓘ

Da Myonen eine größere Masse und Energie haben als die Zerfallsenergie der Radioaktivität, werden sie nicht durch radioaktiven Zerfall erzeugt. Sie entstehen jedoch in großen Mengen bei hochenergetischen Wechselwirkungen mit normaler Materie, bei bestimmten Teilchenbeschleunigerexperimenten mit Hadronen und bei Wechselwirkungen der kosmischen Strahlung mit Materie. Bei diesen Wechselwirkungen entstehen in der Regel zunächst Pi-Mesonen, die fast immer zu Myonen zerfallen. ⓘ

Wie die anderen geladenen Leptonen hat auch das Myon ein zugehöriges Myon-Neutrino, bezeichnet mit
ν
_μ, das sich vom Elektronenneutrino unterscheidet und an verschiedenen Kernreaktionen beteiligt ist. ⓘ

Myonen wurden 1936 von Carl D. Anderson und Seth Neddermeyer bei der Untersuchung von kosmischer Strahlung entdeckt und unabhängig 1937 von J. Curry Street und E. C. Stevenson nachgewiesen (beide Gruppen veröffentlichten in derselben Physical-Review-Ausgabe 1937). Da zu ihrer Produktion eine Schwerpunktsenergie von ca. 106 MeV notwendig ist, entstehen sie weder bei radioaktivem Zerfall noch bei Kernwaffenexplosionen. Zur künstlichen Produktion werden Teilchenbeschleuniger benötigt. ⓘ

Als Leptonen sind Elektron und Myon im Standardmodell verwandte Teilchen. Das Elektron wird zur ersten und das Myon zur zweiten der drei Leptonenfamilien gerechnet. Das entsprechende Teilchen der dritten Familie ist das 1975 entdeckte τ-Lepton. ⓘ

Bis in die 1950er Jahre wurde das Myon als My-Meson bezeichnet. „Meson“ (griechisch, etwa das Mittlere) – noch früher auch „Mesotron“ – bedeutete damals „mittelschweres“ Teilchen, nämlich mit einer Masse zwischen Elektron und Proton. In den 1960er Jahren wurde aber die Bezeichnung Meson auf Teilchen mit starker Wechselwirkung eingeschränkt, zu denen das Myon als Lepton nicht gehört. ⓘ

Geschichte

Myonen wurden 1936 von Carl D. Anderson und Seth Neddermeyer am Caltech bei der Untersuchung kosmischer Strahlung entdeckt. Anderson bemerkte Teilchen, die sich anders als Elektronen und andere bekannte Teilchen krümmten, wenn sie ein Magnetfeld durchquerten. Sie waren negativ geladen, krümmten sich aber weniger stark als Elektronen, aber stärker als Protonen, und das bei gleicher Geschwindigkeit. Man nahm an, dass die Größe ihrer negativen elektrischen Ladung gleich der des Elektrons war, und um den Unterschied in der Krümmung zu erklären, nahm man an, dass ihre Masse größer als die eines Elektrons, aber kleiner als die eines Protons war. Daher nannte Anderson das neue Teilchen zunächst Mesotron, wobei er die Vorsilbe meso- vom griechischen Wort für "Mitte" übernahm. Die Existenz des Myons wurde 1937 durch das Nebelkammer-Experiment von J. C. Street und E. C. Stevenson bestätigt. ⓘ

Ein Teilchen mit einer Masse im Mesonenbereich war bereits vor der Entdeckung von Mesonen von dem Theoretiker Hideki Yukawa vorhergesagt worden:

Es liegt nahe, die Theorie von Heisenberg und Fermi in folgender Weise zu modifizieren. Der Übergang eines schweren Teilchens vom Neutronenzustand in den Protonenzustand geht nicht immer mit der Emission von leichten Teilchen einher. Manchmal wird der Übergang von einem anderen schweren Teilchen übernommen.

Aufgrund seiner Masse wurde das mu-Meson zunächst für das Yukawa-Teilchen gehalten, und einige Wissenschaftler, darunter Niels Bohr, nannten es ursprünglich Yukon. Das von Yukawa vorhergesagte Teilchen, das pi-Meson, wurde schließlich 1947 identifiziert (wiederum durch Wechselwirkungen mit kosmischer Strahlung) und es wurde gezeigt, dass es sich vom mu-Meson durch die Eigenschaften eines Teilchens unterscheidet, das die Kernkraft vermittelt. ⓘ

Da nun zwei Teilchen mit einer Zwischenmasse bekannt waren, wurde der allgemeinere Begriff Meson für alle Teilchen innerhalb des korrekten Massenbereichs zwischen Elektronen und Nukleonen eingeführt. Um nach der Entdeckung des zweiten Mesons zwischen den beiden verschiedenen Arten von Mesonen zu unterscheiden, wurde das ursprüngliche Mesotronteilchen in mu-Meson umbenannt (der griechische Buchstabe μ [mu] entspricht m), und das neue Meson von 1947 (Yukawas Teilchen) wurde pi-Meson genannt. ⓘ

Als später in Beschleunigerexperimenten weitere Mesonenarten entdeckt wurden, stellte man schließlich fest, dass sich das mu-Meson nicht nur deutlich vom pi-Meson (mit etwa der gleichen Masse), sondern auch von allen anderen Mesonenarten unterscheidet. Der Unterschied bestand zum Teil darin, dass mu-Mesonen nicht mit der Kernkraft wechselwirkten, wie es bei pi-Mesonen der Fall war (und in der Yukawa-Theorie auch sein musste). Neuere Mesonen zeigten auch Anzeichen dafür, dass sie sich bei Kernwechselwirkungen wie das pi-Meson verhalten, aber nicht wie das mu-Meson. Außerdem enthielten die Zerfallsprodukte des mu-Mesons sowohl ein Neutrino als auch ein Antineutrino und nicht nur das eine oder das andere, wie es bei den Zerfällen anderer geladener Mesonen beobachtet wurde. ⓘ

Im Standardmodell der Teilchenphysik, das schließlich in den 1970er Jahren kodifiziert wurde, wurden alle Mesonen außer dem mu-Meson als Hadronen - d. h. als Teilchen, die aus Quarks bestehen - verstanden und unterlagen somit der Kernkraft. Im Quark-Modell wurde ein Meson nicht mehr durch seine Masse definiert (denn es wurden einige entdeckt, die sehr massiv waren - massereicher als Nukleonen), sondern es handelte sich um Teilchen, die aus genau zwei Quarks bestehen (ein Quark und ein Antiquark), im Gegensatz zu den Baryonen, die als Teilchen definiert sind, die aus drei Quarks bestehen (Protonen und Neutronen waren die leichtesten Baryonen). Die Mu-Mesonen erwiesen sich jedoch als fundamentale Teilchen (Leptonen) wie die Elektronen, die keine Quarkstruktur aufweisen. Somit waren die Mu-"Mesonen" gar keine Mesonen im neuen Sinn und in der neuen Verwendung des Begriffs Meson, der im Zusammenhang mit dem Quark-Modell der Teilchenstruktur verwendet wird. ⓘ

Mit dieser Definitionsänderung wurde der Begriff "mu-Meson" aufgegeben und wann immer möglich durch den modernen Begriff "Myon" ersetzt, so dass der Begriff "mu-Meson" nur noch eine historische Fußnote ist. Im neuen Quarkmodell wurden andere Mesonenarten manchmal weiterhin mit kürzeren Begriffen bezeichnet (z. B. Pion für Pi-Meson), aber im Falle des Myons wurde der kürzere Name beibehalten und es wurde nie wieder richtig mit der älteren Bezeichnung "My-Meson" bezeichnet. ⓘ

Die letztendliche Anerkennung des Myons als einfaches "schweres Elektron", das bei der Kernwechselwirkung überhaupt keine Rolle spielt, erschien damals so unpassend und überraschend, dass der Nobelpreisträger I. I. Rabi bekanntlich witzelte: "Wer hat das angeordnet?" ⓘ

Im Rossi-Hall-Experiment (1941) wurde mit Hilfe von Myonen zum ersten Mal die von der speziellen Relativitätstheorie vorhergesagte Zeitdilatation (oder alternativ die Längenkontraktion) beobachtet. ⓘ

Muonen-Quellen

Myonen, die auf der Erdoberfläche ankommen, entstehen indirekt als Zerfallsprodukte von Kollisionen kosmischer Strahlung mit Teilchen der Erdatmosphäre. ⓘ

Pro Minute erreichen etwa 10.000 Myonen jeden Quadratmeter der Erdoberfläche; diese geladenen Teilchen entstehen als Nebenprodukte der kosmischen Strahlung bei Kollisionen mit Molekülen in der oberen Atmosphäre. Mit relativistischen Geschwindigkeiten können Myonen Dutzende von Metern in Gestein und andere Materie eindringen, bevor sie durch Absorption oder Ablenkung durch andere Atome abgeschwächt werden. ⓘ

Wenn ein Proton der kosmischen Strahlung auf Atomkerne in der oberen Atmosphäre trifft, werden Pionen erzeugt. Diese zerfallen innerhalb einer relativ kurzen Entfernung (Meter) in Myonen (ihr bevorzugtes Zerfallsprodukt) und Myon-Neutrinos. Die Myonen dieser hochenergetischen kosmischen Strahlung bewegen sich im Allgemeinen in etwa in die gleiche Richtung wie das ursprüngliche Proton, mit einer Geschwindigkeit nahe der Lichtgeschwindigkeit. Obwohl ihre Lebensdauer ohne relativistische Effekte höchstens eine Halbwertszeit von etwa 456 Metern ( 2,197 µs × ln(2) × 0,9997 × c ) erlauben würde (von der Erde aus gesehen), ermöglicht der Zeitdilatationseffekt der speziellen Relativitätstheorie (aus Sicht der Erde) den sekundären Myonen der kosmischen Strahlung, den Flug zur Erdoberfläche zu überleben, da die Myonen im Erdsystem aufgrund ihrer Geschwindigkeit eine längere Halbwertszeit haben. Aus der Sicht (Inertialsystem) des Myons hingegen ist es der Längenkontraktionseffekt der Speziellen Relativitätstheorie, der dieses Eindringen ermöglicht, da im Myon-System seine Lebensdauer nicht beeinflusst wird, die Längenkontraktion aber dazu führt, dass die Entfernungen durch die Atmosphäre und die Erde viel kürzer sind als diese Entfernungen im Erd-Ruhe-System. Beide Effekte sind gleichermaßen geeignet, das ungewöhnliche Überleben des schnellen Myons über Entfernungen zu erklären. ⓘ

Da Myonen, wie Neutrinos, gewöhnliche Materie ungewöhnlich gut durchdringen, sind sie auch tief unter der Erde (700 Meter am Soudan-2-Detektor) und unter Wasser nachweisbar, wo sie einen großen Teil der natürlichen ionisierenden Hintergrundstrahlung ausmachen. Wie die kosmische Strahlung ist auch diese sekundäre Myonenstrahlung gerichtet. ⓘ

Dieselbe Kernreaktion, die oben beschrieben wurde (d. h. Hadron-Hadron-Stöße zur Erzeugung von Pionenstrahlen, die dann über kurze Entfernungen schnell zu Myonenstrahlen zerfallen), wird von Teilchenphysikern zur Erzeugung von Myonenstrahlen verwendet, wie z. B. der Strahl, der für das Myon-G-2-Experiment verwendet wird. ⓘ

Myon-Zerfall

Der häufigste Zerfall des Myons ⓘ

Myonen sind instabile Elementarteilchen und sind schwerer als Elektronen und Neutrinos, aber leichter als alle anderen Materieteilchen. Sie zerfallen über die schwache Wechselwirkung. Da die Anzahl der leptonischen Familienmitglieder erhalten bleibt, wenn es keine extrem unwahrscheinliche unmittelbare Neutrino-Oszillation gibt, muss eines der Produktneutrinos des Myon-Zerfalls ein Neutrino vom Myon-Typ und das andere ein Antineutrino vom Elektron-Typ sein (der Antimuon-Zerfall erzeugt die entsprechenden Antiteilchen, wie weiter unten beschrieben). ⓘ

Da die Ladung erhalten bleiben muss, ist eines der Produkte des Myon-Zerfalls immer ein Elektron mit der gleichen Ladung wie das Myon (ein Positron, wenn es ein positives Myon ist). Somit zerfallen alle Myonen in mindestens ein Elektron und zwei Neutrinos. Manchmal entstehen neben diesen notwendigen Produkten noch weitere Teilchen, die keine Nettoladung und einen Spin von Null haben (z. B. ein Photonenpaar oder ein Elektron-Positron-Paar). ⓘ

Der vorherrschende Myon-Zerfall (manchmal auch Michel-Zerfall genannt, nach Louis Michel) ist der einfachste: Das Myon zerfällt in ein Elektron, ein Elektron-Antineutrino und ein Myon-Neutrino. Antimuonen zerfallen spiegelbildlich am häufigsten in die entsprechenden Antiteilchen: ein Positron, ein Elektronenneutrino und ein Myonantineutrino. In Formeln ausgedrückt, sind diese beiden Zerfälle

μ⁻
→
e-
+
ν
_e +
ν
_μ

μ⁺
→
e⁺
+
ν
_e +
ν
_{μ ⓘ}

Die mittlere Lebensdauer, τ = ħ/Γdes (positiven) Myons beträgt 2,1969811±0,0000022 μs. Die Gleichheit der Lebensdauern von Myon und Antimuon wurde mit einer Genauigkeit von mehr als einem Teil in 10⁴ nachgewiesen. ⓘ

Verbotene Zerfälle

Bestimmte neutrinolose Zerfallsarten sind kinematisch erlaubt, aber im Standardmodell aus praktischen Gründen verboten, selbst wenn Neutrinos Masse haben und oszillieren. Beispiele, die aufgrund der Erhaltung des Leptonenaromas verboten sind, sind:

μ⁻
→
e-
+
γ
und

μ⁻
→
e-
+
e⁺
+
e-
. ⓘ

Um genau zu sein: Im Standardmodell mit Neutrinomasse ist ein Zerfall wie
μ⁻
→
e-
+
γ
technisch möglich, zum Beispiel durch Neutrino-Oszillation eines virtuellen Myon-Neutrinos in ein Elektron-Neutrino, aber ein solcher Zerfall ist astronomisch unwahrscheinlich und sollte daher experimentell nicht beobachtbar sein: Weniger als einer von 10⁵⁰ Myon-Zerfällen dürfte einen solchen Zerfall erzeugen. ⓘ

Die Beobachtung solcher Zerfallsarten wäre ein klarer Beweis für Theorien jenseits des Standardmodells. Obere Grenzen für die Verzweigungsanteile solcher Zerfallsarten wurden in vielen Experimenten gemessen, die vor mehr als 50 Jahren begannen. Die aktuelle Obergrenze für den
μ⁺
→
e⁺
+
γ
Verzweigungsbruch wurde 2009-2013 im MEG-Experiment gemessen und liegt bei 4,2×10-13. ⓘ

Theoretische Zerfallsrate

Die Breite des Myonenzerfalls, die sich aus der goldenen Regel von Fermi ergibt, hat die Dimension der Energie und muss proportional zum Quadrat der Amplitude und damit zum Quadrat der Fermi-Kopplungskonstante ($G_{\text{F}}$), mit einer Gesamtdimension der inversen vierten Potenz der Energie. Durch Dimensionsanalyse führt dies zu Sargents Regel der Abhängigkeit von der fünften Potenz von m_μ,

$\Gamma ={\frac {G_{\text{F}}^{2}m_{\mu }^{5}}{192\pi ^{3}}}~I\left({\frac {m_{\text{e}}^{2}}{m_{\mu }^{2}}}\right),$

wobei $I(x)=1-8x-12x^{2}\ln x+8x^{3}-x^{4}$, und:

$x={\frac {2\,E_{\text{e}}}{m_{\mu }\,c^{2}}}$ der Bruchteil der maximalen Energie ist, der auf das Elektron übertragen wird. ⓘ

Die Zerfallsverteilungen des Elektrons bei Myon-Zerfällen wurden mit Hilfe der so genannten Michel-Parameter parametrisiert. Die Werte dieser vier Parameter werden im Standardmodell der Teilchenphysik eindeutig vorhergesagt, so dass Myonenzerfälle einen guten Test für die Raumzeitstruktur der schwachen Wechselwirkung darstellen. Bisher wurde noch keine Abweichung von den Vorhersagen des Standardmodells gefunden. ⓘ

Für den Zerfall des Myons ist die erwartete Zerfallsverteilung für die Standardmodellwerte der Michel-Parameter

${\frac {\operatorname {d} ^{2}\Gamma }{\operatorname {d} x\,\operatorname {d} \cos \theta }}\sim x^{2}[(3-2x)+P_{\mu }\cos \theta \,(1-2x)]$

wobei $\theta$ ist der Winkel zwischen dem Polarisationsvektor des Myons $\mathbf {P} _{\mu }$ und dem Impulsvektor des Zerfallselektrons, und $P_{\mu }=|\mathbf {P} _{\mu }|$ der Anteil der Myonen, die vorwärtspolarisiert sind. Integriert man diesen Ausdruck über die Elektronenenergie, erhält man die Winkelverteilung der Tochterelektronen:

${\frac {\operatorname {d} \Gamma }{\operatorname {d} \cos \theta }}\sim 1-{\frac {1}{3}}P_{\mu }\cos \theta .$

Die über den Polarwinkel integrierte Elektronenenergieverteilung (gültig für $x<1$) ist

${\frac {\operatorname {d} \Gamma }{\operatorname {d} x}}\sim (3x^{2}-2x^{3}).$ ⓘ

Da die Richtung, in der das Elektron emittiert wird (ein polarer Vektor), vorzugsweise entgegengesetzt zum Myonenspin (ein axialer Vektor) ausgerichtet ist, ist der Zerfall ein Beispiel für die Nicht-Erhaltung der Parität durch die schwache Wechselwirkung. Dies ist im Wesentlichen die gleiche experimentelle Signatur, die auch bei der ursprünglichen Demonstration verwendet wurde. Generell zerfallen im Standardmodell alle geladenen Leptonen über die schwache Wechselwirkung und verletzen ebenfalls die Paritätssymmetrie. ⓘ

Muonische Atome

Das Myon war das erste entdeckte Elementarteilchen, das nicht in gewöhnlichen Atomen vorkommt. ⓘ

Negative Myonatome

Negative Myonen können muonische Atome (früher mu-mesische Atome genannt) bilden, indem sie ein Elektron in gewöhnlichen Atomen ersetzen. Myonische Wasserstoffatome sind viel kleiner als gewöhnliche Wasserstoffatome, weil die viel größere Masse des Myons ihm eine viel stärker lokalisierte Grundzustands-Wellenfunktion verleiht, als dies beim Elektron der Fall ist. Bei Atomen mit mehreren Elektronen, bei denen nur eines der Elektronen durch ein Myon ersetzt wird, wird die Größe des Atoms weiterhin von den anderen Elektronen bestimmt, und die Atomgröße bleibt nahezu unverändert. Allerdings ist in diesem Fall das Orbital des Myons weiterhin kleiner und viel näher am Kern als die Atomorbitale der Elektronen. ⓘ

Muonisches Helium wird erzeugt, indem eines der Elektronen in Helium-4 durch ein Myon ersetzt wird. Das Myon kreist viel näher am Kern, so dass myonisches Helium als ein Helium-Isotop betrachtet werden kann, dessen Kern aus zwei Neutronen, zwei Protonen und einem Myon besteht, mit einem einzigen Elektron außerhalb. Umgangssprachlich könnte man es als "Helium 4.1" bezeichnen, da die Masse des Myons etwas größer als 0,1 amu ist. Chemisch gesehen kann muonisches Helium, das ein ungepaartes Valenzelektron besitzt, Bindungen mit anderen Atomen eingehen und verhält sich eher wie ein Wasserstoffatom als ein inertes Heliumatom. ⓘ

Muonische schwere Wasserstoffatome mit einem negativen Myon können im Prozess der Myon-katalysierten Fusion eine Kernfusion eingehen, nachdem das Myon das neue Atom verlassen hat, um die Fusion in einem anderen Wasserstoffmolekül einzuleiten. Dieser Prozess setzt sich fort, bis das negative Myon von einem Heliumkern eingefangen wird und nicht mehr entkommen kann, bis es zerfällt. ⓘ

Negative Myonen, die an herkömmliche Atome gebunden sind, können durch die schwache Kraft von Protonen in Kernen eingefangen werden (Myoneneinfang), und zwar in einer Art Elektroneneinfangprozess. Wenn dies geschieht, kommt es zur Kerntransmutation: Das Proton wird zu einem Neutron und ein Myon-Neutrino wird emittiert. ⓘ

Wird ein Myon von einem Deuterium- oder einem Deuterium-Tritium-Molekül (D₂ bzw. DT) eingefangen, dann entsteht ein positives myonisches Molekülion, da 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 während seiner Lebensdauer je nach Umgebungsbedingung viele weitere (Größenordnung 10²) Einzelfusionen katalysieren. ⓘ

Um mit dieser myonisch katalysierten Kernfusion Nutzenergie erzeugen zu können, müssen die bis zum Zerfall des Myons (Lebensdauer 2,2 µs) stattfindenden Einzelfusionen mehr Energie freisetzen, als für die Erzeugung des Myons benötigt wurde. Aktuelle Teilchenbeschleuniger-Anlagen sind davon viele Größenordnungen entfernt. ⓘ

Die myonenkatalysierte Fusion ist auch unter dem Namen kalte Fusion bekannt. Sie wurde ursprünglich von Andrei Sacharow vorgeschlagen. ⓘ

Bis heute sind keine experimentellen oder theoretischen Ergebnisse zur „kalten Fusion“ anerkannt, die zweifelsfrei eine Myonen-katalysierte Fusion zur Energiegewinnung möglich erscheinen lassen. ⓘ

Positive Myon-Atome

Ein positives Myon kann, wenn es in gewöhnlicher Materie gestoppt wird, nicht von einem Proton eingefangen werden, da sich die beiden positiven Ladungen nur abstoßen können. Das positive Myon wird auch nicht von den Atomkernen angezogen. Stattdessen bindet es ein zufälliges Elektron und bildet mit diesem ein exotisches Atom, das als Myoniumatom (mu) bekannt ist. In diesem Atom fungiert das Myon als Atomkern. Das positive Myon kann in diesem Zusammenhang als ein Pseudo-Isotop des Wasserstoffs mit einem Neuntel der Masse des Protons betrachtet werden. Da die Masse des Elektrons viel kleiner ist als die des Protons und des Myons, liegt die reduzierte Masse des Myoniums und damit sein Bohr-Radius sehr nahe an der des Wasserstoffs. Daher kann dieses gebundene Myon-Elektronen-Paar in erster Näherung als ein kurzlebiges "Atom" behandelt werden, das sich chemisch wie die Isotope des Wasserstoffs (Protium, Deuterium und Tritium) verhält. ⓘ

Sowohl positive als auch negative Myonen können Teil eines kurzlebigen pi-mu-Atoms sein, das aus einem Myon und einem entgegengesetzt geladenen Pion besteht. Diese Atome wurden in den 1970er Jahren bei Experimenten in Brookhaven und Fermilab beobachtet. ⓘ

Verwendung bei der Messung des Protonenladungsradius

Ungelöstes Problem in der Physik:

Was ist der wahre Ladungsradius des Protons?

(weitere ungelöste Probleme in der Physik) ⓘ

Die experimentelle Technik, von der man sich die genaueste Bestimmung des quadratischen Ladungsradius des Protons erhofft, ist die Messung der Frequenz der Photonen (der genauen "Farbe" des Lichts), die von atomaren Übergängen in muonischem Wasserstoff emittiert oder absorbiert werden. Diese Form des Wasserstoffatoms besteht aus einem negativ geladenen Myon, das an ein Proton gebunden ist. Das Myon ist für diesen Zweck besonders gut geeignet, da seine viel größere Masse zu einem viel kompakteren gebundenen Zustand führt und es sich daher mit größerer Wahrscheinlichkeit im Inneren des Protons im myonischen Wasserstoff befindet als das Elektron im atomaren Wasserstoff. Die Lamb-Verschiebung in muonischem Wasserstoff wurde gemessen, indem das Myon mit einem Laser von einem 2s-Zustand in einen angeregten 2p-Zustand gebracht wurde. Die Frequenz der Photonen, die erforderlich ist, um zwei solche (leicht unterschiedliche) Übergänge zu erzeugen, wurde 2014 mit 50 und 55 THz angegeben, was nach den derzeitigen Theorien der Quantenelektrodynamik (QED) einen angemessenen gemittelten Wert von 0,84087±0,00039 fm für den Ladungsradius des Protons ergibt. ⓘ

Der international akzeptierte Wert für den Ladungsradius des Protons basiert auf einem geeigneten Mittelwert aus Ergebnissen älterer Messungen von Effekten, die durch die Größe des Protons ungleich Null auf die Streuung von Elektronen an Kernen und das Lichtspektrum (Photonenenergien) von angeregtem atomarem Wasserstoff verursacht werden. Der im Jahr 2014 aktualisierte offizielle Wert beträgt 0,8751±0,0061 fm (siehe Größenordnungen für den Vergleich mit anderen Größen). Die erwartete Genauigkeit dieses Ergebnisses ist etwa um den Faktor 15 geringer als die des Myon-Wasserstoffs, doch die beiden Werte weichen um das 5,6-fache der nominellen Unsicherheit voneinander ab (eine Diskrepanz, die in der wissenschaftlichen Schreibweise 5,6 σ genannt wird). Eine Konferenz der weltweiten Experten zu diesem Thema führte zu der Entscheidung, das Myon-Ergebnis nicht in den offiziellen Wert von 2014 einfließen zu lassen, um die mysteriöse Diskrepanz nicht zu verbergen. Dieses "Protonenradius-Rätsel" blieb bis Ende 2015 ungelöst und hat viel Aufmerksamkeit auf sich gezogen, unter anderem wegen der Möglichkeit, dass beide Messungen gültig sind, was den Einfluss einer "neuen Physik" bedeuten würde. ⓘ

Die Messung der Lamb-Verschiebung von normalem Wasserstoff und myonischem Wasserstoff ist eine Möglichkeit, den Protonenradius zu bestimmen. Sie ist auf Grund unterschiedlicher Entfernungen zwischen Proton und dem entsprechenden Lepton unterschiedlich und ermöglicht so durch Messung der Energiedifferenzen zwischen 2s- und 2p-Zuständen durch Absorption von Laserstrahlung die Messung von Abweichungen des Coulombpotentials auf sehr kleinen Entfernungsskalen. Laut QED würde die 2010 am Paul-Scherrer-Institut beobachtete Verschiebung durch einen Protonenradius von (841,84 ± 0,67) · 10⁻¹⁸ m verursacht werden. Der Wert stimmt nicht mit dem Wert (876,8 ± 6,9) · 10⁻¹⁸ m aus Streuexperimenten überein (eines der ungelösten Probleme der Physik). 2016 wurden die kleineren Werte des Protonenradius durch die gleichen Messungen am Deuteron, die ebenfalls am Paul-Scherrer-Institut durchgeführt wurden, bestätigt. 2017 wurden die Messungen einer Abweichung durch Laserspektroskopie an gewöhnlichem Wasserstoff bestätigt. ⓘ

Magnetische Anomalie des Myons

Myonen eignen sich besonders gut, um fundamentale Kräfte in der Physik auf höchstem Präzisionsniveau zu studieren. Nach heutigem Kenntnisstand sind sie wie alle Leptonen punktförmig. Damit lassen sich im Rahmen der Quantenelektrodynamik ihre Eigenschaften sehr präzise 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. ⓘ

Die magnetische Anomalie des Myons $a_{\mu }$ wird auch g−2-Wert genannt, hierbei ist g der Landé-Faktor. Sie ist die Abweichung des durch Quantenkorrekturen ermittelten Wertes von dem Wert, den man durch die Lösung der Dirac-Gleichung ($g_{\mu }^{\text{Dirac}}=2$) erhält. Das Standardmodell der Elementarteilchenphysik sagt für diese Korrekturen vorher:

$a_{\mu }^{\text{SM}}={\frac {|g_{\mu }|-2}{2}}=0{,}001\,165\,918\,10(43)$ ⓘ

Eine Präzisionsmessung dieser magnetischen Anomalie wurde am Brookhaven National Laboratory von einer weltweiten Kollaboration um das Jahr 2000 durchgeführt. Sollte es andere als die der Teilchenphysik derzeit bekannten Teilchen geben und sollten diese nicht allzu große Massen haben, dann müssten sie sich in der magnetischen Anomalie des Myons bemerkbar machen. Der ermittelte Wert von

$a_{\mu }^{\text{BNL}}=0{,}001\,165\,920\,80(63)$

lag 2,2 … 2,7 Standardabweichungen über der theoretischen Vorhersage, was keine signifikante Abweichung von der theoretischen Vorhersage darstellte. ⓘ

Anfang April 2021 wurden erste Ergebnisse des Myon g−2-Experiments am Fermilab veröffentlicht, die mit höherer Genauigkeit und einem Wert von

$a_{\mu }^{\text{FNAL}}=0{,}001\,165\,920\,40(54)$

diese leichte Abweichung bestätigten. Es wurde noch nicht die in der Teilchenphysik üblicherweise geforderte Signifikanz von mindestens 5 σ erreicht, aber die Wahrscheinlichkeit, dass sich die Abweichung rein zufällig ergab, liegt in der Größenordnung 1:40 000. ⓘ

Das kombinierte Ergebnis von Brookhaven und Fermilab weicht daher um

$a_{\mu }^{\text{komb.}}-a_{\mu }^{\text{SM}}=(241\pm 59)\times 10^{-11}$

vom theoretisch vorhergesagten Ergebnis ab, was mit 4,2 Standardabweichungen einer Wahrscheinlichkeit für einen Zufall von etwa 1:100 000 entspricht. ⓘ

Die Vorhersage für den Wert des anomalen magnetischen Moments des Myons umfasst drei Teile:

a_μ^SM = a_μ^QED + a_μ^EW + a_μ^had. ⓘ

Der Unterschied zwischen den g-Faktoren des Myons und des Elektrons ist auf ihre unterschiedliche Masse zurückzuführen. Aufgrund der größeren Masse des Myons sind die Beiträge zur theoretischen Berechnung seines anomalen magnetischen Dipolmoments aus den schwachen Wechselwirkungen des Standardmodells und aus den Beiträgen, die Hadronen einbeziehen, beim derzeitigen Präzisionsniveau wichtig, während diese Effekte für das Elektron nicht wichtig sind. Das anomale magnetische Dipolmoment des Myons reagiert auch empfindlich auf Beiträge der neuen Physik jenseits des Standardmodells, wie z. B. der Supersymmetrie. Aus diesem Grund wird das anomale magnetische Moment des Myons normalerweise als Sonde für neue Physik jenseits des Standardmodells und nicht als Test der QED verwendet. Muon g-2, ein neues Experiment am Fermilab, das den E821-Magneten verwendet, verbessert die Präzision dieser Messung. ⓘ

Im Jahr 2020 berechnete ein internationales Team von 170 Physikern die genaueste Vorhersage für den theoretischen Wert des anomalen magnetischen Moments des Myons. ⓘ

Im Jahr 2021 präsentierte das Fermilab National Accelerator Laboratory (FNAL) Muon g-2 Experiment die ersten Ergebnisse eines neuen experimentellen Mittelwerts, der die Differenz zwischen Experiment und Theorie auf 4,2 Standardabweichungen erhöhte. ⓘ

Elektrisches Dipolmoment

Der derzeitige experimentelle Grenzwert für das elektrische Dipolmoment des Myons, |d_μ| < 1,9 × 10-19 e-cm, der durch das E821-Experiment am Brookhaven Laboratory festgelegt wurde, liegt um Größenordnungen über der Vorhersage des Standardmodells. Die Beobachtung eines elektrischen Dipolmoments des Myons, das nicht Null ist, würde eine zusätzliche Quelle für die CP-Verletzung darstellen. Von den Experimenten am Fermilab wird eine Verbesserung der Empfindlichkeit um zwei Größenordnungen gegenüber dem Brookhaven-Limit erwartet. ⓘ

Myonen-Radiographie und -Tomographie

Da Myonen viel tiefer eindringen als Röntgen- oder Gammastrahlen, kann die Myonenabbildung bei viel dickerem Material oder - bei kosmischen Strahlenquellen - bei größeren Objekten eingesetzt werden. Ein Beispiel ist die kommerzielle Myonen-Tomographie, die zur Abbildung ganzer Frachtcontainer verwendet wird, um abgeschirmtes Nuklearmaterial sowie Sprengstoff oder andere Schmuggelware aufzuspüren. ⓘ

Die auf kosmischen Strahlenquellen basierende Technik der Myonen-Transmissionsradiografie wurde erstmals in den 1950er Jahren zur Messung der Tiefe des Deckgebirges eines Tunnels in Australien und in den 1960er Jahren zur Suche nach möglichen verborgenen Kammern in der Chephren-Pyramide in Gizeh eingesetzt. Im Jahr 2017 wurde die Entdeckung eines großen Hohlraums (mit einer Länge von mindestens 30 Metern) durch die Beobachtung von kosmischen Myonen gemeldet. ⓘ

Im Jahr 2003 entwickelten die Wissenschaftler des Los Alamos National Laboratory eine neue Bildgebungstechnik: die Myonenstreuungstomografie. Bei der Myonenstreuungstomographie werden sowohl die ein- als auch die ausgehenden Flugbahnen jedes Teilchens rekonstruiert, wie z. B. bei versiegelten Aluminium-Driftröhren. Seit der Entwicklung dieser Technik haben mehrere Unternehmen begonnen, sie zu nutzen. ⓘ

Im August 2014 gab die Decision Sciences International Corporation bekannt, dass sie von Toshiba einen Auftrag für den Einsatz ihrer Myonenverfolgungsdetektoren bei der Sanierung des Atomkomplexes in Fukushima erhalten hat. Der Fukushima Daiichi Tracker (FDT) sollte einige Monate lang Myonenmessungen durchführen, um die Verteilung der Reaktorkerne aufzuzeigen. Im Dezember 2014 teilte Tepco mit, dass in Fukushima zwei verschiedene Techniken zur Bildgebung mit Myonen eingesetzt würden: die "Myonen-Scan-Methode" bei Block 1 (dem am stärksten beschädigten Block, bei dem der Brennstoff den Reaktorbehälter verlassen haben könnte) und die "Myonen-Streuungsmethode" bei Block 2. Das Internationale Forschungsinstitut für die Stilllegung von Kernkraftwerken (IRID) in Japan und die Forschungsorganisation für Hochenergiebeschleuniger (KEK) bezeichnen die von ihnen für Block 1 entwickelte Methode als "Myonen-Permeations-Methode"; 1 200 optische Fasern zur Wellenlängenumwandlung leuchten auf, wenn Myonen mit ihnen in Kontakt kommen. Nach einem Monat der Datenerfassung hofft man, den Ort und die Menge der Brennelemente, die sich noch im Reaktor befinden, feststellen zu können. Die Messungen begannen im Februar 2015. ⓘ

Die kosmische Strahlung enthält Myonen mit einer Energie von mehreren GeV. Durch ihre hohe kinetische Energie können sie mehrere Kilometer dicken Fels durchdringen, bevor sie auf Geschwindigkeiten deutlich unter der Lichtgeschwindigkeit abgebremst sind und zerfallen. Daher kann man sie bei der Myonentomografie zum Durchleuchten größerer Objekte nutzen. Dazu werden die Myonen der kosmischen Strahlung verwendet und ihre Streustrahlung gemessen und tomographisch ausgewertet. ⓘ

Im Jahr 2009 wurde die Methode auf den Vulkan Iō-dake (japanisch 硫黄岳) auf der Insel Iojima (Kikai-Caldera, Ōsumi-Inseln) angewandt. Dadurch konnte die Dichteverteilung des Vulkans ermittelt werden. ⓘ

Im Herbst 2017 gaben Forscher den durch Myonentomografie erfolgten Fund eines mindestens 30 m langen Hohlraums in der Cheops-Pyramide oberhalb der Großen Galerie bekannt. ⓘ

Im Standardmodell verbotene Zerfallskanäle

Bestimmte neutrinolose Zerfallskanäle des Myons sind zwar kinematisch möglich, jedoch im Standardmodell (also auch ohne Neutrinooszillationen) verboten und bisher auch nicht beobachtet worden. Dies wird durch die Erhaltungssätze der Lepton-Flavours ausgedrückt (Erhaltung der Leptonenfamilienzahlen in jedem Wechselwirkungsvertex), woraus auch folgt, dass das Myon kein angeregter Zustand des Elektrons ist. Beispiele für solche Zerfälle, die den Lepton-Flavour ändern würden, sind

$\mu ^{-}\to e^{-}+\gamma$

und

$\mu ^{-}\to e^{-}+e^{+}+e^{-}$ . ⓘ

Die Beobachtung eines solchen Zerfalls wäre ein Indiz für eine neue Physik jenseits des Standardmodells (Neue Physik). In den letzten 50 Jahren wurde in zahlreichen Experimenten die obere Grenze für die Verzweigungsverhältnisse solcher Zerfälle ständig verbessert. Der aktuelle Grenzwert (2020) für den Zerfall $\mu ^{-}\to e^{-}+\gamma$ wurde im MEG-Experiment mit 4,2 · 10⁻¹³ bestimmt. Das Experiment Mu3e plant, den Grenzwert für den anderen Zerfall von derzeit 10⁻¹² auf 10⁻¹⁶ zu verbessern. ⓘ