Muone

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Muone
Composizione Particella elementare
Famiglia Fermione
Gruppo Leptone
Generazione seconda
Interazione Gravità, Elettromagnetica, Debole
Antiparticella antimuone
Scoperta Carl David Anderson, 1936
Simbolo μ
Massa 105,658369(9) MeV/c2[1]
Vita media 2,197034(21) × 10−6 s[2]
Carica elettrica −1 e
Spin ½

Nel modello standard il muone (dalla lettera greca μ usata per rappresentarlo, che, in ambito scientifico, viene spesso pronunciata 'mu') è una particella fondamentale con carica elettrica negativa e spin 1/2 (fermione).

Insieme all'elettrone, al tauone e ai neutrini fa parte dei leptoni. Storicamente fu catalogato come mesone con il termine di "mesone mu". È indicato con μ (mentre l'antimuone con μ+).

Il muone ha massa a riposo di 105,7 MeV/c2, circa 207 volte la massa dell'elettrone. Dal momento che le sue interazioni sono simili, può essere pensato come un elettrone pesante. Tuttavia, per via della massa, i muoni subiscono un'accelerazione meno intensa quando incontrano un campo elettromagnetico, e quando vengono rallentati emettono una radiazione di bremsstrahlung di minore intensità; sono di conseguenza più penetranti.

Il muone possiede una vita media di 2,2 µs, più lunga di quella degli altri leptoni instabili, dei mesoni e dei barioni (ad eccezione del neutrone).

Come nel caso di tutti i leptoni carichi, esiste un neutrino muonico che possiede lo stesso sapore, indicato con νμ.

Storia[modifica | modifica sorgente]

I muoni furono scoperti da Carl David Anderson nel 1936: mentre studiava i raggi cosmici egli notò che, nell'attraversare un campo magnetico, alcune particelle deviavano la propria traiettoria in maniera diversa dagli elettroni e da altre particelle note; in particolare, venivano deflesse con una curvatura minore rispetto agli elettroni, ma maggiore rispetto ai protoni. Si assunse che la carica di queste nuove particelle fosse identica a quella dell'elettrone e, per giustificarne la differente deflessione, si ritenne che avessero una massa intermedia (un valore compreso tra la massa del protone e dell'elettrone).

Per questa ragione, Anderson e Neddermayer chiamarono la nuova particella mesotrone, adottando il prefisso meso-, dal greco intermedio. Di lì a poco furono scoperte nuove particelle con massa intermedia e per indicarle fu usato il termine mesone. Per distinguere tra i vari mesoni, il mesotrone fu ribattezzato mesone mu (con la lettera greca μ (mu) utilizzata per ricordare il suono della lettera m).

Tuttavia, si scoprì che il mesone mu differiva significativamente dagli altri mesoni; per esempio, dal suo decadimento viene emesso un neutrino e un antineutrino, piuttosto che l'uno o l'altro, come osservato per gli altri mesoni. Si comprese in seguito che gli altri mesoni erano degli adroni, cioè particelle composte da quark, soggette dunque alla forza nucleare forte. Nel modello dei quark, ogni mesone è composto da due quark. Si determinò, con un esperimento realizzato da Oreste Piccioni, Ettore Pancini e Marcello Conversi e completato nel 1945, che i mesoni mu erano delle particelle prive di interazioni nucleari e quindi più simili all'elettrone (leptoni). Si determinò dunque che i mesoni mu non erano affatto dei mesoni (nel nuovo senso del termine), e così il termine mesone fu accantonato e rimpiazzato dal moderno muone.

Sorgenti di muoni[modifica | modifica sorgente]

La maggior parte dei muoni che raggiungono la Terra è prodotta dai raggi cosmici: questi ultimi, quando penetrano negli strati superiori dell'atmosfera, generano pioni, che a loro volta decadono in muoni e neutrini. I muoni così prodotti si muovono a grande velocità, sicché la loro vita media osservata dalla Terra è maggiore di quella osservata in un sistema nel quale essi sono in quiete, in accordo con la dilatazione temporale prevista dalla teoria della relatività ristretta. Grazie a questo fenomeno, una frazione consistente dei muoni prodotti nell'alta atmosfera riesce a raggiungere la superficie terrestre prima di decadere, ed è così possibile rilevarli al suolo.

La medesima reazione è utilizzata dai fisici delle particelle per produrre fasci di muoni, come quello utilizzato per l'esperimento g-2. La misura precisa del momento magnetico del muone è stata compiuta dal prof.Antonino Zichichi negli anni '60.[3]

Decadimento del muone[modifica | modifica sorgente]

I muoni sono, dopo gli elettroni, le particelle cariche più leggere e perciò ciascuno di essi può decadere soltanto in un elettrone e in altre particelle di carica complessiva nulla. Quasi tutte le volte, essi decadono in un elettrone, un antineutrino elettronico e in un neutrino muonico. Gli antimuoni decadono invece in un positrone, in un neutrino elettronico e in un antineutrino muonico.

\mu^-\to e^- + \bar\nu_e + \nu_\mu,~~~\mu^+\to e^+ + \nu_e + \bar\nu_\mu.

Raramente sono presenti anche un fotone e una coppia elettrone-positrone nel processo di decadimento.

Infatti al laboratorio di ricerca internazionale situato a Villigen in Svizzera, Paul Scherrer Institute (PSI), è in corso d'opera l'esperimento MEG che ha come obiettivo di misurare la larghezza di decadimento del Muone positivo in positrone e fotone che aprirebbe la strada allo studio di nuova fisica.

Atomi muonici[modifica | modifica sorgente]

Il muone fu la prima particella elementare osservata che non entrasse a far parte della composizione degli atomi ordinari. I muoni negativi possono tuttavia formare atomi muonici sostituendosi agli elettroni negli ordinari atomi. Tale tipo di atomi risulta molto più piccolo del solito a causa della grande massa del muone stesso.

Un muone positivo, quando si mescola con la materia ordinaria, può formare, insieme ad un elettrone, un atomo di muonio (Mu), in cui il muone funge da nucleo. Tale sostanza, in verità, non rientra nella definizione formale di atomo chimico, sebbene ne condivida tutte le proprietà. La massa ridotta del muonio, quindi il suo raggio di Bohr, è molto vicino a quello dell'idrogeno; quindi questo "atomo" dalla vita breve si comporta chimicamente (in prima approssimazione) come i suoi isotopi più pesanti, idrogeno, deuterio e trizio

Note[modifica | modifica sorgente]

  1. ^ Particle Data Group
  2. ^ K. Nakamura et al. (Particle Data Group), J. Phys. G 37, 075021 (2010), URL: http://pdg.lbl.gov
  3. ^ Galileo - Giornale di Scienza | Una crepa nel Modello Standard

Voci correlate[modifica | modifica sorgente]

Bibliografia[modifica | modifica sorgente]

  • S.H. Neddermeyer and C.D. Anderson, "Note on the Nature of Cosmic-Ray Particles", Phys. Rev. 51, 884-886 (1937). Testo integrale disponibile in PDF.
  • Serway & Faughn, College Physics, Fourth Edition (Fort Worth TX: Saunders, 1995) pagina 841
  • Emanuel Derman, My Life As A Quant (Hoboken, NJ: Wiley, 2004) pp. 58–62.
  • Marc Knecht; The Anomalous Magnetic Moments of the Electron and the Muon, Poincaré Seminar (Paris, Oct. 12, 2002), published in: Duplantier, Bertrand; Rivasseau, Vincent (Eds.); Poincaré Seminar 2002, Progress in Mathematical Physics 30, Birkhäuser (2003) [ISBN 3-7643-0579-7]. Testo integrale disponibile in PostScript.
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