Myonen

Ein Myon (μ) ist ein einfach geladenes Elementarteilchen mit einer Masse von etwa 106 MeV/c². Myonen haben eine mittlere Lebensdauer von etwa 2,2 μs und zerfallen hauptsächlich in Elektronen und Neutrinos.

Teilchen Eigenschaften

Myonen sind Elementarteilchen, die gravitativ, elektromagnetisch und schwach wechselwirken. Die Teilchen unterliegen aufgrund ihres halbzahligen Spins keiner starken Wechselwirkung. Die Masse der Myonen beträgt etwa 106 MeV/c² und ist damit etwa 207 Mal schwerer als die der Elektronen.

Feynman-Diagramm des Zerfalls eines Myons in zwei Neutrinos und ein Elektron

Myonen sind einfach geladen. Konventionell wird davon ausgegangen, dass Myonen (μ^-) eine negative Ladung tragen, während ihre Antimaterie-Gegenstücke (Anti-Muonen oder μ⁺) positiv geladen sind. Der Zerfall von Myonen wird durch die schwache Wechselwirkung vermittelt. Da schwache Prozesse auf typischen subatomaren Zeitskalen als langsam gelten können, haben Myonen eine mittlere Lebensdauer von etwa 2,2 μs. Die häufigsten Zerfallsprodukte sind Elektronen und Neutrinos.

Wechselwirkung	Gravitation, Elektromagnetisch, Schwach
Masse	105.6583755(23) MeV/c2
Mittlere Lebensdauer	2.1969811(22) x 10-6 s
Elektrische Ladung	1
Spin	1/2

Myonen in kosmischen Schauern

Myonen treten in kosmischen Schauern als sekundäre Schauerteilchen auf. Aufgrund ihrer endlichen Lebensdauer t ist der mittlere Weg der Myonenschauerteilchen begrenzt.

Klassischerweise ist der mittlere Weg s gegeben durch s = ct, wobei angenommen wird, dass die Myonen eine Geschwindigkeit nahe der Lichtgeschwindigkeit c haben. Dieser Ausdruck ergibt eine mittlere Wegstrecke von 660 m. Folglich würde die große Mehrheit der kosmischen Schauer-Muonen zerfallen, bevor sie die Erde erreichen. Da sich die Myonen jedoch mit einer Geschwindigkeit nahe der Lichtgeschwindigkeit ausbreiten, muss bei dieser Berechnung eine relativistische Korrektur vorgenommen werden. Die mittlere Lebensdauer muss nämlich in das Bezugssystem eines "stationären" Beobachters (stationär in Bezug auf die Erde) Lorentz-transformiert werden. Der $\gamma$-Faktor ist gegeben durch:

$\gamma ?{\frac {1}{\sqrt {1-v^{2}/c^{2}}}}$

Für ein Myon, das sich nahe der Lichtgeschwindigkeit (v ~ 0,9997c) bewegt, erhält man $\gamma \approx 40,83$. Daraus ergibt sich eine Eigenzeit $\tau$ von:

$\tau =\gamma t=40.83{\dot {2}}.2$ μs = 90 μs

was effektiv zu einem längeren mittleren Weg führt: $\gamma x=40,83{\dot {6}}60$ m = 27 km. Diese relativistische Zeitdilatation (oder äquivalent Längenkontraktion) ermöglicht es den Myonen, die Oberfläche der Erde zu erreichen, bevor sie zerfallen. Unsere Fähigkeit, Myonen auf Meereshöhe zu messen, ist daher ein direkter Beweis für die relativistischen Mechanismen, die die Ausbreitung von Teilchen steuern, die sich nahe der Lichtgeschwindigkeit bewegen.