Müon

'Müon (ya da muon, Yunanca μ harfi ile gösterilir), elektron benzeri-1 e yük ve 1/2 spinli ancak daha yüksek kütleye sahip bir temel parçacık. Müon parçacığı, lepton olarak sınıflandırılmıştır. Diğer leptonlar gibi, Müonun da daha küçük parçacıklara (kuarklar gibi) indirgenemeyen bir parçacık olduğu düşünülmektedir.

Müon, ortalama ömrü 2.2 µs olan kararsız bir atom altı parçacıktır. Diğer tüm bilinen kararsız atom altı parçacıklar arasında sadece nötron (15 dakika civarı) ve birkaç atom çekirdeği söz konusu parçacıktan daha uzun bozunma ömrüne sahiptir.

Müon (aynı zamanda nötron) bozunması özellikle Zayıf Nükleer Kuvvet aracılığı ile gerçekleşir. Bu bozunma sonucu, daima bir elektron ve iki nötrino olmak üzere üç parçacık açığa çıkar.

Diğer tüm temel tanecikler gibi, müonun da ters yüke (+1 e) ve aynı kütle ve spine sahip karşıt bir parçacığı bulunmaktadır. Bu karşıt parçacığa antimüon veya pozitif müon adı verilir. Müonlar μ− ve antimüonlar μ+ sembolleri ile ifade edilir. Önceleri Mü mezonları denilen bu parçacıklar, parçacık fizikçileri tarafından mezon olarak sınıflandırılmadıklarından, artık bu isimle anılmazlar.

Müonların kütleleri 105.66 (9)MeV/c² civarındadır (elektronun kütlesinin yaklaşık 207 katı). Müonlar daha yüksek kütleye sahip olduklarından, bir elektromanyetik alanla karşılaştıklarında elektronlar kadar hızlı ivmelenemez veya bremsstrahlung (yavaşlama ışıması) yaymazlar. Elektronların ve müonların yavaşlamaları öncelikle bremsstrahlung mekanizması ile enerji kaybına bağlı olduğundan, bu durum müonlara maddeye çok daha derinlemesine nüfuz etme özelliğini verir. Bu duruma bir örnek olarak kozmik ışınların atmosfere çarpması sonucu meydana gelen sözde "ikincil müonlar"ın Dünya'nın yüzeyine ve hatta daha derinlere nüfuz etmesi gösterilebilir.

Müonların kütle ve enerjileri radyoaktif bozunma enerjisinden çok daha fazla olduğundan, asla radyoaktif bozunma sonucu oluşmazlar ancak normal maddede gerçekleşen yüksek enerji etkileşimleri ile, hadronlar ile yapılan bazı parçacık hızlandırıcıları deneylerinde veya kozmik ışınların madde ile etkileşmesi sonucu bol miktarda üretilirler. Söz konusu etkileşimler genellikle, bir süre sonra müonlara bozunan pi mezonlarını üretirler.

Diğer yüklü leptonlarda olduğu gibi, müonlarla da ilişkilendirilmiş müon nötrinoları bulunur. Müon nötrinoları, elektron nötrinolarından farklıdır ve aynı nükleer tepkimelerde bulunmazlar.

Müonlar 1936 yılında Carl D. Anderson ve Seth Neddermeyer tarafından Caltech'de yapılan kozmik ışıma üzerine yapılan çalışmalar sırasında bulunmuştur. Anderson, bir manyetik alandan geçtiğinde elektronlardan ve diğer tüm bilinen parçacıklardan daha farklı eğimlenen parçacıklar fark etmişti. Bu parçacıklar eksi yüklüydü ve aynı hıza sahip elektronlardan daha az, protonlardan ise daha keskin eğim kazanmaktaydı. Bu parçacıkların eksi yüklerinin büyüklükleri elektronlarınkiyle aynı olduğu, eğimlenmelerindeki farkın da kütlelerinin elektronun kütlesinden daha fazla, protonun kütlesinden ise daha az olmasından kaynaklandığı varsayılmıştı. Böylece bu yeni parçacığa mesotron adı verildi. Müonların varlığı 1937 yılında J. C. Street ve E. C. Stevenson tarafından yapılan bulut odası deneyi ile kanıtlanmıştır.

Herhangi bir mezonun keşfinden çok önce, mezon aralığında kütleye sahip bir parçacığın varlığı teorik fizikçi Hideki Yukawa tarafından öngörülmüştü.

Mü mezonları önceleri Yukawa tarafından öngörülen parçacıklar oldukları sanıldı fakat daha sonra farklı özelliklere sahip oldukları anlaşıldı. Yukawa'nın parçacıkları olan pi mezonları 1947 yılında, yine kozmik ışınlarla olan etkileşimi sayesinde tanımlandı ve daha önce keşfedilen mü mezonlarından farklı olduğu öngörülen özelliklere sahip olması ve nükleer kuvvet ile etkileşime geçmesinden anlaşıldı.

Bu iki parçacığın bilinmesi ile daha genel bir terim olan mezon terimi, elektron ile nükleon arasında kütleye sahip olan tüm parçacıkları tanımlamak için kullanılmaya başlandı. Sonraları, iki parçacığın arasındaki farkı netleştirmek üzere ilk bulunan parçacığa mü mezonu, 1947'de bulunan Yukawa'nın parçacığına ise pi mezonu adları verildi.

Sonraları hızlandırıcı deneyleri sayesinde daha fazla sayıda mezon tipi bulundukça mü mezonlarının sadece pi mezonlarından değil, diğer tip mezonlardan da ciddi farklılıkları olduğu anlaşılmaya başlandı. Farklılıklardan biri, pi mezonları nükleer kuvvet ile etkileşime girerken, mü mezonlarının girmemesiydi. Yeni bulunan mezonlar da pi mezonlarına benzer davranışlar sergilemekteydi. Ayrıca, diğer mezonların bozunumunda nötrino veya antönötrino parçacıklarından biri ortaya çıkarken, mü mezonunun bozunumunda ikisi birden ortaya çıkmaktaydı.

1970'lerde Standart Model yardımıyla mü mezonları dışında tüm mezonların kuarklardan meydana gelen parçacıklar olan hadronlar oldukları ve nükleer kuvvet ile etkileşime girdikleri anlaşıldı. Kuark modelinde mezonlar kütleleri ile tanımlanan parçacıklar olmaktan çıkartılmış, tam olarak iki kuarktan meydana gelen (bir kuark ve bir antikuark) tanecikler olarak tanımlanmışlardır. Ancak mü mezonları, elektronlar gibi kuark yapısı olmayan temel tanecik (lepton) özelliği göstermektedirler. Böylece mü mezonlarının, kuark modeliyle yeniden tanımlanan mezonlar olmadıkları anlaşılmıştır.

Müonlar 1941 yılında Rossi-Hall deneyinde özel göreliliğin zaman genleşmesi öngörüsünü gözlemlemek üzere kullanıldılar.

Dünya yüzeyine ulaşan müonlar, kozmik ışınların üst atmosferde bulunan parçacıklar ile çarpışmaları sonucu dolaylı olarak meydana gelen bozunma ürünü parçacıklardır.

Kozmik ışınlarla taşınan protonlar dış atmosferde bulunan atomların çekirdekleri ile çarpıştığında pionlar meydana gelir. Bu parçacıklar görece kısa mesafelerde müonlara ve müon nötrinolarına bozunurlar. Bu yüksek enerjili kozmik ışınlardan meydana gelen müonlar genelde başlangıçtaki proton ile aynı doğrultuda ve ışık hızına yakın hızlarda hareket ederler. Görelilik etkisi olmadan ömürleri sadece 456 metre kat etmelerine izin verirken, özel göreliliğin doğrudan bir sonucu olan zaman genleşmesi sayesinde, yüzeye ulaşmasına yetecek kadar ömürleri vardır. Müonun referans sisteminden ise, genleşen zaman değil, yine özel göreliliğin bir sonucu olan mesafe kısalması sayesinde, dış atmosferden dünya yüzeyine olan mesafe çok daha kısa gözükmektedir. Her iki olay da ışık hızına yakın hızlarda hareket eden müonun gereğinden fazla olan ömrünü açıklamak için eşit derecede geçerlidir.

Müonlar, nötrinolar gibi, maddeye çok derinlemesine nüfuz edebildiğinden, yer altından ve su altından tespit edilebilirler. (Soudan 2 detektörü yerin 700 m. altındadır).

Burada doğal arka plan iyonize radyasyonun büyük bir bölümünü müonlar oluştururlar.

Müonlar elektronlardan ve nötrinolardan daha ağır fakat diğer maddesel parçacıklardan daha hafiz olan kararsız temel taneciklerdir ve Zayıf Nükleer Kuvvet aracılığıyla bozunurlar. Bozunma sonucu Lepton sayılarının korunması gerektiğinden, bozunma ürünü olarak meydana gelen nötrinolardan biri müon tipi nötrino, diğeri elektron tipi antinötrino olmak zorundadır. Aynı zamanda elektriksel yükün de korunması gerektiğinden, müon ile aynı elektrik yüküne sahip bir elektron (pozitif bir müon ise bir pozitron) meydana gelmelidir. Dolayısı ile tüm müonlar en azından bir elektron ve iki nötrinoya bozunurlar. Bazenleri bu zorunlu ürünlerin yanı sıra, net yüke sahip olmayan ve sıfır spinli yan ürünler de meydana gelebilmektedir. (bir foton çifti veya bir elektron-pozitron çifti gibi)

Baskın müon bozunması (Louis Michel'in ardından Michel bozunması olarak da bilinir), olası en basit şekildedir; müon bir elektrona, bir elektrok antinötrinosuna ve bir müon nötrinosuna bozunur. Antimüonlar ise, tam tersi olarak bir pozitron, bir elektron nötrinosu ve bir müon antinötrünosuna bozunur. Bu bozunumun formülasyonu aşağıdaki gibidir;

μ^-→e⁻ + ν_e + ν_μ

μ⁺ → e⁺ + ν_e + ν_μ

Müonun ortalama ömrü, τ = 1/Γ, (2.1969811±0.0000022 ) µs olarak bulunur.

Bazı nötrinosuz bozunmalar kinematik olarak mümkün olmakla birlikte, Standart Modelde yasaklanmıştır. Örnekleri;

μ⁻ → e⁻ + γ

μ⁻ → e⁻ + e⁺ + e⁻

Benzeri bozunmaların gözlenmesi, Standart Modelin ötesine uzanan teorilere açık kanıt oluşturabilir. Bu şekilde meydana gelen bozunmaların üst limitleri, 50 yıl önce gerçekleştirilen birçok deneyde belirlenmiştir. Halihazırda μ⁺ → e⁺ + γ bozunması için üst limit, 2013 yılında MEG deneyi tarafından 5.7 x 10⁻¹³ olarak ölçülmüştür.