ミューオン（/ ˈ m ( j ) uː . ɒ n / M(Y)OO -on ;ギリシャ文字のmu (μ) から）は、電子に似た素粒子で、電荷は -1  e、スピンは⁠です。 1/2⁠  ħですが、質量ははるかに大きいです。これはレプトンに分類されます。他のレプトンと同様に、ミューオンはより単純な粒子で構成されているとは考えられていません。

ミューオンは平均寿命がミューオンの崩壊は2.2  μsで、他の多くの亜原子粒子よりもはるかに長い。自由中性子の崩壊（寿命約15分）と同様に、ミューオンの崩壊は（亜原子粒子の基準では）遅い。これは、崩壊が弱い相互作用（より強力な強い相互作用や電磁相互作用ではなく）のみによって媒介され、ミューオンとその崩壊生成物の質量差が小さいため、崩壊の運動自由度がほとんどないためである。ミューオンの崩壊は、ほとんどの場合、少なくとも3つの粒子を生成する。これには、ミューオンと同じ電荷を持つ電子と2種類のニュートリノが含まれる。

他の素粒子と同様に、ミューオンにも、電荷が反対（+1  e）だが質量とスピンが等しい反粒子、すなわち反ミューオン（正ミューオンとも呼ばれる）が存在する。ミューオンはμで表される。−
および反ミューオンはμ+
かつてミューオンはミュー中間子と呼ばれていましたが、現代の素粒子物理学者によって中間子として分類されておらず（ 「発見の歴史」を参照）、その名前は物理学界ではもう使用されていません。

ミューオンの質量は105.66  MeV/ c 2、これはおよそ206.768 2827 (46) ‍ [ 8]電子のm e倍です。また、タウと呼ばれる第3のレプトンも存在し、ミューオンの約17倍の重さです。

ミューオンは質量が大きいため、電磁場中では電子よりもゆっくりと加速し、制動放射線（減速放射線）の放出も少なくなります。電子とミューオンの減速は主に制動放射線によるエネルギー損失によるため、同じエネルギーのミューオンは物質のより深部まで浸透することができます。例えば、宇宙線が大気圏に衝突することで生成されるいわゆる二次ミューオンは、大気圏を貫通して地球の地表や深部鉱山にまで到達することができます。

ミューオンは放射能の崩壊エネルギーよりも質量とエネルギーが大きいため、放射性崩壊では生成されません。しかしながら、通常の物質における高エネルギー相互作用、ハドロンを用いた特定の粒子加速器実験、そして宇宙線と物質の相互作用において、ミューオンは大量に生成されます。これらの相互作用では通常、最初にパイ中間子が生成され、これはほぼ常にミューオンに崩壊します。

他の荷電レプトンと同様に、ミューオンはνで表されるミューオンニュートリノを伴います。
μこれは電子ニュートリノとは異なり、異なる核反応に関与します。

発見の歴史

ミューオンは、 1936年[9]にカリフォルニア工科大学のカール・D・アンダーソンとセス・ネッダーマイヤーによって宇宙線の研究中に発見されました。アンダーソンは、磁場を通過すると電子や他の既知の粒子とは異なる曲線を描く粒子に気づきました。ミューオンは負に帯電していましたが、同じ速度の粒子の場合、電子ほど急激に曲がらず、陽子よりも急激に曲がっていました。ミューオンの負電荷の大きさは電子のそれと等しいと仮定され、曲率の違いを説明するために、ミューオンの質量は電子より大きく、陽子より小さいと仮定されました。そのため、アンダーソンは当初、この新しい粒子をギリシャ語で「中間」を意味するメソ-という接頭辞を用いてメソトロンと名付けました。ミューオンの存在は、1937年にJ・C・ストリートとE・C・スティーブンソンの霧箱実験によって確認されました[10] 。

中間子領域の質量を持つ粒子は、中間子が発見される前から理論家の湯川秀樹によって予言されていた。[11]

ハイゼンベルクとフェルミの理論を次のように修正するのは自然なように思われる。重い粒子の中性子状態から陽子状態への遷移は、必ずしも軽い粒子の放出を伴うわけではない。遷移は、別の重い粒子によって引き継がれる場合がある。

ミュー中間子はその質量から、当初湯川の粒子であると考えられ、ニールス・ボーアを含む一部の科学者はこれをユーコンと名付けた。メソトロン（すなわちミューオン）が湯川の粒子ではないという事実は、1946年にローマでマルチェロ・コンヴェルシ、オレステ・ピッチオーニ、エットーレ・パンチーニが行った実験によって確立された。ルイス・ワルター・アルバレスが1968年のノーベル賞受賞記念講演で「現代素粒子物理学の始まり」と呼んだこの実験[12]で、彼らは宇宙線からのミューオンが原子核に捕らえられることなく崩壊していることを示した。これは湯川が提唱した核力の媒介物に期待されたこととは反対であった。湯川が予言した粒子であるパイ中間子は、最終的に1947年に（これも宇宙線相互作用から）特定された。

中間の質量を持つ2つの粒子が発見されたことで、電子と核子の間の適切な質量範囲にある粒子を指すために、より一般的な用語である「中間子」が採用されました。さらに、2つ目の中間子が発見された後、2つの異なるタイプの中間子を区別するために、最初の中間子粒子はミュー中間子（ギリシャ文字のμ [ミュー]はmに対応）と改名され、1947年に発見された新しい中間子（湯川の粒子）はパイ中間子と名付けられました。

その後、加速器実験でより多くの種類の中間子が発見されるにつれ、ミュー中間子は（質量がほぼ同じ）パイ中間子だけでなく、他のすべての種類の中間子とも大きく異なることが最終的に判明しました。その違いの一つは、ミュー中間子がパイ中間子のように（湯川の理論ではそうすることが求められていましたが）、核力と相互作用しないことでした。また、新しい中間子は核相互作用においてパイ中間子のように振る舞う証拠を示しましたが、ミュー中間子のようには振る舞いませんでした。また、ミュー中間子の崩壊生成物には、他の荷電中間子の崩壊で観測されたようにどちらか一方ではなく、 ニュートリノと反ニュートリノの両方が含まれていました。

1970年代に最終的に体系化された素粒子物理学の標準モデルでは、ミュー中間子以外のすべての中間子はハドロン、つまりクォークからなる粒子であり、したがって核力の影響を受けると理解されていました。クォークモデルでは、中間子はもはや質量によって定義されず（核子よりも質量の大きい中間子が発見されていたため）、3つのクォークからなる粒子として定義される重粒子（陽子と中性子が最も軽い重粒子）とは異なり、正確に2つのクォーク（クォークと反クォーク）からなる粒子とされました。しかし、ミュー中間子は電子と同様に基本粒子（レプトン）であり、クォーク構造を持たないことが示されました。したがって、ミュー「中間子」は、クォーク粒子構造モデルで使用される「中間子」という用語の新しい意味と用法において、全く中間子ではありませんでした。

この定義の変更により、 「ミュー中間子」という用語は廃止され、可能な限り現代的な用語である「ミューオン」に置き換えられ、「ミュー中間子」という用語は歴史的な脚注に過ぎなくなりました。新しいクォーク模型では、他の種類の中間子は短縮された用語で呼ばれることもありました（例えば、パイ中間子はパイ中間子と呼ばれます）。しかし、ミューオンの場合は短縮された名称が維持され、以前の「ミュー中間子」という用語で適切に呼ばれることは二度とありませんでした。

ミューオンが原子核との相互作用に全く関与しない単なる「重い電子」であるという認識は、当時非常に矛盾し驚くべきことと思われ、ノーベル賞受賞者のI.I.ラビは「誰がそんなことを命じたんだ？」と有名な​​ジョークを飛ばした。[13]

ロッシ・ホール実験（1941年）では、ミューオンを使って特殊相対性理論で予測されていた時間の遅れ（あるいは長さの収縮）を初めて観測した。[14]

ミューオン源

霧箱内の鉛を通過する宇宙線ミューオン

地球の表面に到達するミューオンは、宇宙線と地球の大気の粒子との衝突によって間接的に崩壊生成物として生成されます。[15]

地球の表面には毎分1平方メートルあたり約1万個のミューオンが到達します。これらの荷電粒子は、宇宙線が上層大気中の分子と衝突することで副産物として生成されます。相対論的な速度で移動するミューオンは、他の原子による吸収や偏向によって減衰する前に、岩石などの物質に数十メートルも浸透することができます。[16]

宇宙線の陽子が上層大気中の原子核に衝突すると、パイオンが生成されます。これらは比較的短い距離（数メートル）でミューオン（好ましい崩壊生成物）とミューニュートリノに崩壊します。これらの高エネルギー宇宙線からのミューオンは、通常、元の陽子とほぼ同じ方向に、光速に近い速度で進みます。相対論的効果がない場合の寿命では、半減期は最大で約456メートル（2.197 μs × ln(2) × 0.9997 c）しかありませんが（地球から見た場合）、特殊相対性理論の時間の遅れ効果（地球の観点から）により、宇宙線二次ミューオンは地球表面までの飛行を生き延びることができます。これは、地球座標系ではミューオンの速度により半減期が長くなるためです。一方、ミューオンの視点（慣性系）から見ると、この貫通を可能にするのは特殊相対論の長さ収縮効果である。ミューオン系ではミューオンの寿命は影響を受けないが、長さ収縮によって大気圏と地球を通過する距離は、地球静止系におけるこれらの距離よりもはるかに短くなる。どちらの効果も、高速ミューオンが長距離にわたって異常に残存する理由を説明する上で、等しく妥当な方法である。

ミューオンはニュートリノと同様に通常の物質を非常に透過するため、地下深く（スーダン2検出器では700m）や水中でも検出可能であり、自然界における電離放射線の大部分を占めています。また、前述のように、この二次ミューオン放射線も宇宙線と同様に方向性を持っています。

上記と同じ核反応（ハドロン同士の衝突でパイオンビームが生成され、それが短距離で急速にミューオンビームに崩壊する）は、素粒子物理学者がミューオンg −2実験で使用されるビームなどのミューオンビームを生成するために使用されています。[17]

ミューオン崩壊

ミューオンの最も一般的な崩壊

ミューオンは不安定な素粒子であり、電子やニュートリノよりも重いが、他のすべての物質粒子よりも軽い。ミューオンは弱い相互作用によって崩壊する。極めて起こりにくい即時ニュートリノ振動が起こらない場合、レプトン族の数は保存されるため、ミューオン崩壊によって生成されるニュートリノの一方はミューオン型ニュートリノ、もう一方は電子型反ニュートリノとなる（反ミューオン崩壊は対応する反粒子を生成する。詳細は後述）。

電荷は保存されるため、ミューオンの崩壊生成物の一つは常にミューオンと同じ電荷を持つ電子（正ミューオンの場合は陽電子）です。したがって、すべてのミューオンは少なくとも1個の電子と2個のニュートリノに崩壊します。これらの必要な生成物に加えて、正味電荷がなくスピンがゼロの他の粒子（例えば、光子対や電子-陽電子対）が生成されることもあります。

ミューオンの主な崩壊モード（ルイ・ミシェルにちなんでミシェル崩壊と呼ばれることもある）は、最も単純な崩壊モードです。ミューオンは電子、反電子ニュートリノ、ミューオンニュートリノに崩壊します。反ミューオンは、鏡像関係で、ほとんどの場合、対応する反粒子、すなわち陽電子、電子ニュートリノ、反ミューオンニュートリノに崩壊します。これらの2つの崩壊は、式で表すと以下のようになります。

μ−
→え−
+ ν
e+ ν
μ
μ+
→え+
+ ν
e+ ν
μ

（正）ミューオンの平均寿命τ = ħ / Γは2.196 9811 ± 0.000 0022  μs . [4]ミューオンと反ミューオンの寿命の等しさは10の4乗分の1より優れていることが確立されている. [ 18]

禁止された崩壊

ニュートリノを放出しない崩壊モードの中には、運動学的には許容されるものもありますが、ニュートリノが質量を持ち振動するにもかかわらず、標準模型では実用上禁じられています。レプトンフレーバー保存則によって禁じられている例としては、以下のものがあります。

μ−
→え−
+ γ

そして

μ−
→え−
+ e+
+ e−
。

ニュートリノ質量を考慮すると、μのような崩壊は−
→え−
+ γは標準模型において技術的には可能です（例えば、仮想ミューオンニュートリノがニュートリノ振動によって電子ニュートリノに変化するなど）。しかし、そのような崩壊は極めて起こりにくく、したがって実験的に観測不可能であるはずです。ミューオンの崩壊は 10の50乗回のうち1回未満でしか起こらないはずです。

このような崩壊モードの観測は、標準模型を超える理論の明確な証拠となるだろう。このような崩壊モードの分岐比の上限は、60年以上前から多くの実験で測定されてきた。現在のμの上限は+
→え+
+ γ分岐率は2009年から2013年にかけてMEG実験で測定され、4.2 × 10 −13 . [19]

理論的な減衰率

フェルミの黄金律から導かれるミューオンの崩壊幅はエネルギーの次元を持ち、振幅の2乗、つまりフェルミ結合定数（）の2乗に比例する。全体の次元はエネルギーの4乗の逆数である。次元解析により、これはサージェントのm μの5乗依存性の規則につながる。 [20] [21]

ここで、[21]および:

電子に伝達される最大エネルギーの割合です。

ミューオン崩壊における電子の崩壊分布は、いわゆるミシェルパラメータを用いてパラメータ化されている。これら4つのパラメータの値は素粒子物理学の標準模型において明確に予測されているため、ミューオン崩壊は弱い相互作用の時空構造を検証する上で優れた指標となる。標準模型の予測からの逸脱は未だ見つかっていない。

ミューオンの崩壊については、ミシェルパラメータの標準模型値に対する予想される崩壊分布は

ここで、はミューオンの偏極ベクトルと崩壊電子の運動量ベクトルの間の角度であり、は順方向に偏極したミューオンの割合です。この式を電子エネルギーについて積分すると、娘電子の角度分布が得られます。

極角にわたって積分した電子エネルギー分布（ に有効）は

電子が放出される方向（極性ベクトル）はミューオンのスピン（軸性ベクトル）と反対方向に優先的に向いているため、この崩壊は弱い相互作用によるパリティ非保存の例となります。これは、元の実証で使用されたものと本質的に同じ実験的特徴です。より一般的には、標準模型では、すべての荷電レプトンは弱い相互作用を介して崩壊し、同様にパリティ対称性を破ります。

ミューオン原子

ミューオンは、通常の原子には現れない、初めて発見された素粒子です。

負のミューオン原子

負ミューオンは、通常の原子の電子を置換することで、ミューオン原子（以前はミューメシック原子と呼ばれていた）を形成することができる。ミューオン水素原子は、通常の水素原子よりもはるかに小さい。これは、ミューオンの質量がはるかに大きいため、電子の場合よりもはるかに局所的な基底状態の 波動関数を持つためである。多電子原子では、電子の1つだけがミューオンに置換されても、原子の大きさは他の電子によって決定され続け、原子の大きさはほとんど変化しない。しかしながら、このような場合でも、ミューオンの軌道は電子の 原子軌道よりも小さく、原子核にはるかに近い位置にある。

ミューオン水素の分光測定は、陽子半径の正確な推定値を得るために用いられてきた。[22]これらの測定結果は当時受け入れられていた値から乖離しており、いわゆる陽子半径パズルを引き起こした。後に、電子水素における陽子半径の新たな改良測定値が得られるようになったことで、このパズルは解決された。[23]

ミューオンヘリウムは、ヘリウム4の電子の1つをミューオンに置き換えることで生成されます。ミューオンは原子核に非常に近い軌道を周回するため、ミューオンヘリウムは、原子核が2つの中性子、2つの陽子、そして1つのミューオンで構成され、その外側に1つの電子を持つヘリウムの同位体とみなすことができます。化学的には、ミューオンヘリウムは不対価電子を持ち、他の原子と結合することができ、不活性なヘリウム原子というよりも水素原子に似た挙動を示します。[24] [25] [26]

負ミューオンを持つ重水素原子は、ミューオン触媒核融合の過程で核融合を起こす可能性があります。この過程では、ミューオンが新しい原子から離脱し、別の水素分子の核融合を誘発する可能性があります。このプロセスは、負ミューオンがヘリウム原子核に捕獲され、崩壊するまでそこに留まるまで続きます。

通常の原子に結合した負ミューオンは、弱い力によって原子核内の陽子に捕獲される（ミューオン捕獲）ことがあります。これは一種の電子捕獲に似た過程です。これが起こると、原子核変換が起こり、陽子は中性子になり、ミューオンニュートリノが放出されます。

正ミューオン原子

正ミューオンは通常の物質中に停止すると、2つの正電荷が反発するだけなので、陽子に捕獲されることはありません。また、正ミューオンは原子核にも引き寄せられません。代わりに、ランダムな電子と結合し、この電子と共にミューオニウム（ミュー）原子と呼ばれるエキゾチックな原子を形成します。この原子において、ミューオンは原子核として機能します。この文脈における正ミューオンは、陽子の9分の1の質量を持つ水素の擬似同位体と考えることができます。電子の質量は陽子とミューオンの両方の質量よりもはるかに小さいため、ミューオニウムの換算質量、ひいてはそのボーア半径は水素のそれに非常に近くなります。したがって、この結合したミューオン-電子対は、第一近似として、化学的に水素の同位体（陽子、重水素、三重水素）と同様に振舞う短寿命の「原子」として扱うことができます。

正ミューオンと負ミューオンの両方が、ミューオンと反対の電荷を持つパイ中間子からなる短寿命のπ-ミュー原子を構成する。これらの原子は、1970年代にブルックヘブン国立研究所とフェルミ国立加速器研究所の実験で観測された。[27] [28]

異常磁気双極子モーメント

異常磁気双極子モーメントとは、実験的に観測された磁気双極子モーメントの値とディラック方程式によって予測される理論値との差である。この値の測定と予測は、QEDの精密試験において非常に重要である。ブルックヘブンのE821実験[29]とフェルミ国立加速器研究所のミューオンg-2実験では、ミューオンが閉じ込め貯蔵リング内を周回する際の、一定の外部磁場中でのミューオンスピンの歳差運動を研究した。ミューオンg -2共同研究チームは2021年に以下のことを報告した[30]。

ミューオン異常磁気モーメントの値の予測には、次の 3 つの部分が含まれます。

a μ SM = μ QED + a μ EW + a μ had。​

ミューオンと電子のg因子の違いは、それらの質量の違いによる。ミューオンの質量が大きいため、標準模型の 弱い相互作用やハドロンを含む寄与からの異常磁気双極子モーメントの理論計算への寄与は、現在の精度レベルでは重要であるが、これらの効果は電子の場合は重要ではない。ミューオンの異常磁気双極子モーメントは、超対称性など、標準模型を超える新しい物理からの寄与にも敏感である。このため、ミューオンの異常磁気モーメントは通常、 QEDのテストではなく、標準模型を超える新しい物理のプローブとして使用される。[31]フェルミ国立加速器研究所のE821磁石を使用した新しい実験であるミューオン g −2により、この測定の精度が向上した。[32]

2020年に170人の物理学者からなる国際チームがミューオンの異常磁気モーメントの理論値について最も正確な予測を計算した。[33] [34]

ミューオンg−2

ミューオンG-2はフェルミ国立加速器研究所の素粒子物理学実験であり、ミューオンの異常磁気双極子モーメントを0.14 ppmの精度で測定する。[35] [36]これは標準模型の高感度テストである。[37]また、全く新しい粒子の存在の証拠となる可能性もある。[38]

2021年、ミューオンg -2実験は、実験と理論の差を4.2標準偏差に拡大した新たな実験平均値の最初の結果を発表しました。[39]

電気双極子モーメント

ミューオンの電気双極子モーメントに関する現在の実験的限界、| d μ | <ブルックヘブン研究所のE821実験で記録された1.9 × 10 −19  e ·cmは、標準模型の予測を桁違いに上回る。ミューオンの電気双極子モーメントがゼロでないことが観測されれば、CP対称性の破れの新たな発生源となる。フェルミ国立加速器研究所の実験により、ブルックヘブン限界を2桁上回る感度向上が期待される。

ミューオン放射線撮影と断層撮影

ミューオンはX線やガンマ線よりもはるかに深く透過するため、ミューオンイメージングは​​はるかに厚い物質や、宇宙線源の場合はより大きな物体にも使用できます。一例として、商用ミューオントモグラフィーは、遮蔽された核物質や爆発物、その他の禁制品を検出するために貨物コンテナ全体を画像化するために使用されます。[40]

宇宙線源に基づくミューオン透過放射線撮影法は、1950年代にオーストラリアのトンネルの表土の深さを測定するために初めて使用され[41] 、1960年代にはギザのカフラー王のピラミッドに隠された部屋がある可能性のある場所を探索するために使用されました[42]。2017年には、宇宙線ミューオンの観測によって長さ30メートルを超える大きな空洞が発見されたと報告されました[43] 。

2003年、ロスアラモス国立研究所の科学者たちは、ミューオン散乱トモグラフィーという新しい画像化技術を開発しました。ミューオン散乱トモグラフィーでは、密閉されたアルミニウムドリフトチューブなどを用いて、各粒子の入射軌道と出射軌道の両方を再構成します。[44]この技術の開発以来、いくつかの企業がこの技術の利用を開始しています。

2014年8月、デシジョン・サイエンシズ・インターナショナル・コーポレーションは、東芝から福島原子力発電所の復旧作業におけるミューオン追跡検出器の使用契約を獲得したと発表した。[45]福島第一トラッカーは、原子炉の炉心の分布を示すために、数ヶ月にわたるミューオン測定を行う予定だった。2014年12月、東京電力は福島第一原発で2つの異なるミューオン画像化技術を用いると発表した。1号機（最も損傷が激しく、燃料が原子炉容器から漏れている可能性がある場所）では「ミューオンスキャン法」、2号機では「ミューオン散乱法」である。[46]日本の国際廃炉研究開発機構（IRID）と高エネルギー加速器研究機構（KEK）は、1号機用に開発したこの方法を「ミューオン透過法」と呼んでいる。これは、波長変換用の1200本の光ファイバーがミューオンと接触すると光るというものである。[47] 1ヶ月間のデータ収集を経て、原子炉内に残っている燃料デブリの位置と量を明らかにすることが期待されています。測定は2015年2月に開始されました。[48]

参照

参考文献

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さらに読む

  • ウィキメディア・コモンズのミューオン関連メディア
  • NASA天文写真集：ミューオン異常磁気モーメントと超対称性（2005年8月28日）
  • 「G-2実験」ミューオン異常磁気モーメント
  • 「muLan実験」。2006年9月2日時点のオリジナルよりアーカイブ。正ミューオン寿命の測定
  • 「素粒子物理学のレビュー」。
  • 「TRIUMF 弱い相互作用の対称性テスト」。
  • 「MEG実験」。2002年3月25日時点のオリジナルよりアーカイブ。ミューオン→陽電子＋ガンマ線崩壊の探索
  • キング、フィリップ. 「ミューオンを作る」.舞台裏の科学.ブレイディ・ハラン.