Das Myon (Englisch: Muon) ist ein Elementarteilchen, das in vielen Eigenschaften dem Elektron ähnelt. Wie das Elektron besitzt es eine negative Elementarladung und einen Spin von . Myon und Elektron unterliegen der elektroschwachen, jedoch nicht der starken Wechselwirkung und gehören damit zu den Leptonen. Das Elektron wird zur ersten und das Myon zur zweiten der drei Leptonenfamilien gerechnet. Das entsprechende Teilchen der dritten Familie ist das 1975 entdeckte Tauon.
Das Myon hat eine rund 200-mal größere Masse als das Elektron. Zur Erzeugung eines Myons ist daher eine Schwerpunktsenergie von ca. 106 MeV notwendig. Infolgedessen entstehen Myonen weder bei radioaktivem Zerfall noch bei Kernwaffenexplosionen, aber in der Höhenstrahlung. Zur künstlichen Produktion werden Teilchenbeschleuniger benötigt. Im Gegensatz zum Elektron ist das Myon instabil und zerfällt spontan mit einer mittleren Lebensdauer von 2,2 Mikrosekunden.
Das Formelsymbol des Myons ist μ−. Das Antiteilchen des Myons ist das positive Myon oder Antimyon μ+. Es ist wie das Positron einfach positiv geladen.
Historie 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).
Bis in die 1950er Jahre wurde das Myon als μ-Meson (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.
Zerfall mini|Feynman-Diagramm des Myonzerfalls Zerfallskanäle Das freie Myon zerfällt gemäß dem hier abgebildeten Feynman-Diagramm in ein Myon-Neutrino, ein Elektron-Antineutrino und ein Elektron .
Selten (in 0,0034 % der Fälle) wird zusätzlich ein Elektron-Positron-Paar erzeugt:
Auch die Erzeugung von Gammastrahlung (Photonen) ist möglich (Anteil ):
Den Zerfall des Antimyons erhält man durch den Austausch aller Teilchen durch das jeweilige Antiteilchen .
Dem Standardmodell zufolge wird der Zerfall des Myons durch ein W-Boson vermittelt.
Lebensdauer Die experimentell bestimmte mittlere Lebensdauer des ruhenden positiven Myons beträgt τ = 2,197 μs, entsprechend einer Halbwertzeit T½ = τ ln 2 von etwa 1,523 μs. Das negative Myon hat in Materie einen zusätzlichen Zerfallskanal: Es kann mit einem Atomkern ein myonisches Atom bilden und anschließend entsprechend dem K-Einfang eines Elektrons vom Kern absorbiert werden. Dabei wird ein Proton zu einem Neutron, und ein Myon-Neutrino wird emittiert. Deswegen ist in Materie die experimentell bestimmbare mittlere Lebensdauer des negativen Myons kürzer. Im Vakuum, ohne diesen zusätzlichen Zerfallskanal, stimmen die gemessenen Lebensdauern von positivem und negativem Myon genau überein (Messgenauigkeit: 0,1 %).
Zeitdilatation
Der Zerfall von Myonen aus der sekundären kosmischen Strahlung wird gerne als Lehrbuchbeispiel für die Zeitdilatation bewegter Teilchen herangezogen. Nach der speziellen Relativitätstheorie erscheint die Zeit in einem mit einer Geschwindigkeit bewegten System aus Sicht eines Außenstehenden um den Lorentz-Faktor gedehnt (verlangsamt). Ohne diesen Effekt würden von Myonen, die sich nahe der Lichtgeschwindigkeit c bewegen, aufgrund der kurzen Halbwertszeit von nach einer Wegstrecke von die Hälfte zerfallen. Nach 4,5 km wäre nur noch jedes Tausendste vorhanden, nach 9 km jedes Millionste. Tatsächlich aber erreichen die allermeisten Myonen, die in der äußeren Erdatmosphäre entstehen, den Erdboden.
Die Lebensdauer von Myonen verschiedener Energie wurde erstmals 1940 durch Bruno Rossi und David B. Hall gemessen. Durch einen Geschwindigkeitsfilter wurde die Messung auf Myonen mit 99,5 % der Lichtgeschwindigkeit beschränkt. Der Vergleich der gemessenen Teilchenanzahlen ermöglichte es, die Halbwertszeit dieser schnellen Myonen zu bestimmen; sie ergab sich mit 13 μs etwa neunmal länger als bei ruhenden Myonen – in Übereinstimmung mit den Voraussagen der Relativitätstheorie. 1963 wurde von David H. Frisch und James H. Smith ein ähnliches Experiment mit höherer Genauigkeit ausgeführt.
Im Standardmodell verbotene Zerfallskanäle Bestimmte neutrinolose Zerfallskanäle des Myons sind zwar kinematisch möglich, jedoch im Standardmodell 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
und .
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 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.
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 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 () erhält. Das Standardmodell der Elementarteilchenphysik sagt für diese Korrekturen vorher:
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
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
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.First results from Fermilab’s Muon g−2 experiment strengthen evidence of new physics, Pressemitteilung des Brookhaven National Laboratory, 7. April 2021 (englisch)
Das kombinierte Ergebnis von Brookhaven und Fermilab weicht daher um
vom theoretisch vorhergesagten Ergebnis ab, was mit 4,2 Standardabweichungen einer Wahrscheinlichkeit für einen Zufall von etwa 1:100 000 entspricht.
Myon und Standardmodell Wenn das gemessene magnetische Moment des Myons größer ist als das auf Basis des Standardmodells der Teilchenphysik berechnete, könnte das darauf hinweisen, dass es weitere Elementarteilchen gibt, die eine Wirkung auf das magnetische Moment haben.
Ein beliebtes Modell ist die Supersymmetrie (SUSY), die für jedes Teilchen des Standardmodells die Existenz eines Superpartners vorhersagt. Aus SUSY-Teilchen könnte außerdem die bisher nicht identifizierte Dunkle Materie im Universum bestehen, deren Existenz bei den Kosmologen als sicher gilt. Dieses Modell krankt leider daran, dass der LHC bis zum Wert von etwa 1000 Protonenmassen keine Superpartner gefunden hatDavide Castelvecchi: What’s next for physics’ standard model? Muon results throw theories into confusion. Nature 593, 7857, S. 18–19 (2021). Wenn es allerdings zwei SUSY-Teilchen mit ähnlichen Massen gäbe (etwa eines mit 550 Protonenmassen, ein zweites mit 500 Protonenmassen), so würde im Beschleuniger zunächst das schwerere von beiden erzeugt, das aber schnell in das leichtere SUSY-Teilchen und ein gewöhnliches Teilchen des Standardmodells mit etwa 50 Protonenmassen zerfiele (der LHC kann solche Zerfälle nicht detektieren). Teilchen mit diesen Eigenschaften erfordern aber die Existenz einer viel größeren Menge Dunkler Materie als die Astronomen beobachten.
Kompliziert wird das Problem des Myons durch folgende vom LHCb gefundene Asymmetrie: Beim Zerfall von B-Mesonen sollten gleich viele Myonen und Elektronen entstehen, da diese beiden Teilchen bis auf ihre deutlich verschiedenen Massen im Standardmodell völlig gleichberechtigt sind; der LHCb beobachtet jedoch weniger Myonen als ElektronenLHCb Collaboration et al.: Preprint (zitiert nach Castelvecchi), und das kann kein SUSY-Modell erklären.
Zuletzt werden einige Große vereinheitlichte Theorien, die die starke, elektromagnetische und schwache Kraft als Wirkung einer einzigen fundamentalen Kraft auffassen, zur Deutung aller drei Probleme (zu großes magnetisches Moment des Myons, Defizit von Myonen beim B-Meson-Zerfall, Dunkle Materie im Universum) in Erwägung gezogen, soweit sie früher noch nicht experimentell widerlegt wurden. Eine Möglichkeit dabei wäre, die Existenz eines Leptoquarks zu fordern, die auch erklären würde, warum die drei Familien der Elementarteilchen so verschiedene Massen haben. Alternativ könnte nach einem dem Z-Boson ähnlichen Z*-Boson gesucht werden.
Gleichzeitig wird auch eine noch genauere Berechnung des g–2-Werts angestrebtSz. Borsani et al.: Nature 593 (2021), S. 51–55 (zitiert nach Castelvecchi) in der Hoffnung, dass dieser sich dann doch dem experimentellen Ergebnis annähern könnte.
Myonen in der kosmischen Strahlung
Myonen sind ein Hauptbestandteil der sekundären kosmischen Strahlung. Diese entsteht durch Reaktionen der eigentlichen kosmischen Strahlung (vor allem aus dem Weltall kommenden Protonen) mit Atomkernen der oberen Atmosphäre. Die meisten Myonen entstehen in der äußeren Atmosphäre: In einer Höhe von etwa 10 km sind schon 90 Prozent aller in der gesamten Atmosphäre produzierten Myonen entstanden. Die Reaktionen der primären Strahlung erzeugen zunächst Pionen und zu einem kleineren Teil Kaonen; bei deren Zerfall durch die schwache Wechselwirkung entstehen unter anderem Myonen und Myon-Neutrinos. In Meereshöhe liegt die Teilchenflussdichte dieser „kosmischen“ Myonen um die 100 pro Quadratmeter und Sekunde, das gemessene Verhältnis μ+/μ− bei etwa 1,27.C. Grupen: Astroparticle Physics. Springer 2005, ISBN 3-540-25312-2, S. 149.
Der erhebliche Fluss schneller Myonen aus der sekundären kosmischen Strahlung noch am Erdboden stellt einen störenden Untergrund bei Messungen schwacher Strahlenquellen dar. Er ist einer der Gründe dafür, solche Messungen in unterirdischen Laboratorien in früheren Bergwerken u. Ä. (wie etwa dem Gran-Sasso-Labor) durchzuführen.