Myon
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Das Myon ist ein Elementarteilchen, das dem Elektron ähnelt, jedoch eine deutlich höhere Masse (105,6 MeV statt 0,511 MeV) aufweist. Wie das Elektron ist es mit einer Elementarladung negativ geladen, und besitzt einen halbzahligen Spin. Beide unterliegen nicht der starken Wechselwirkung. Das Antiteilchen des Myons, das Anti-Myon, ist wie das Positron einfach positiv geladen.
Dem Standardmodell zufolge sind Elektron und Myon verwandte Teilchen. Beide gehören zur Klasse der Leptonen, nur dass das Elektron zur ersten der drei Familien gehört, das Myon zur zweiten. Das entsprechende Teilchen der dritten Familie - das Tau-Lepton, ist ebenfalls bereits nachgewiesen worden.
thumb|Feynmandiagramm des Myon Zerfalls
Die mittlere Lebensdauer eines freien Myons beträgt τ = 2,2 · 10-6 s. Es zerfällt gemäß des rechts abgebildeten Feynmandiagramms in ein Myon-Neutrino, ein Anti-Elektron-Neutrino und ein Elektron. Das Antimyon zerfällt analog, nur dass jeweils die Antiteilchen der vorgenannten Teilchen entstehen. Zusätzlich kann beim Zerfall noch Gammastrahlung (Photonen) erzeugt werden. Dem Standardmodell zufolge wird der Zerfall des Myons über ein W-Boson (siehe auch Boson) vermittelt.
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Myonische Atome
Myonen (aber nicht Antimyonen) können aufgrund ihrer Ladung wie Elektronen an Atomkerne gebunden werden. Jedoch ist der zugehörige Bohrsche Radius der "Myonbahn" um den Atomkern im Verhältnis der Massen von Elektron und Myon kleiner. Die Folge ist, dass die Myonen viel stärker gebunden werden als die Elektronen. Üblicherweise gehen Myonen schon kurz nach dem Einfang in einen 1s-Zustand über. Bei schweren Atomkernen liegt aufgrund der kleinen Bahnradien ein großer Teil der Myon-Aufenthaltswahrscheinlichkeit im Atomkern. Dort kann es dann zum inversen Betazerfall kommen, bei dem das Myon absorbiert und ein Proton in ein Neutron verwandelt wird. Hierbei entsteht zusätzlich ein Neutrino, sowie eventuell eines oder mehrere Gamma-Quanten. Der neu entstandene Atomkern ist in vielen Fällen radioaktiv. Durchläuft dieser in der Folge einen "normalen" Beta-Zerfall, wird wieder der originale Atomkern hergestellt.
Ein gebundenes Myon kann daher aufgrund der zusätzlichen Reaktionswahrscheinlichkeit eine deutlich geringere Lebensdauer haben, zum beispiel ca. 0,163 mysec in Kupfer, was auch zur Myonen-Spin-Analyse genutzt wird. Wegen der relativistischen Zeitdilatation aufgrund der Umlaufgeschwindigkeit des Myons um den Atomkern kann die Lebensdauer des gebundenen Myons jedoch auch größer als die des freien Myons (2,2 mysec) sein.
Da das gebundene Myon einen Teil der Kernladung abschirmt, verschieben sich die Energieniveaus aller anderen gebundenen Elektronen. Es können sich jedoch weiterhin zwei Elektronen gleichzeitig mit einem Myon im 1s-Zustand befinden. Das Verbot, dass sich keine zwei Fermionen im gleichen Zustand aufhalten können, gilt nicht für verschiedenartige Teilchen wie Elektron und Myon. Trotzdem kann ein negativ geladenes Myon mit einem positiv geladenen Positron ebenso wie Elektron und Positron per Paarzerstrahlung in Gammaquanten der entsprechend höheren Energie reagieren. Ebenso können Antimyonen mit Elektronen annhilieren.
Myonen-katalysierte Fusion
Wenn ein Myon mit einem Deuterium-Molekül, D2, eine Verbindung eingeht, dann entsteht ein positives myonisches Molekül-Ion, weil die relativ große Bindungsenergie des Myons die beiden Elektronen des Moleküls freisetzt. In diesem myonischen Molekül-Ion sind die beiden Deuterium-Kerne einander 200 mal näher, als in einem elektronischen Molekül. Das ermöglicht durch den Tunneleffekt eine Kernfusion der beiden Kerne zu Helium-3 und Neutronen, oder Tritium und Protonen. Die sehr große durch die Fusion frei werdende Energie von 3 oder 4 MeV setzt das Myon wieder frei, und es kann in seiner kurzen Lebensdauer je nach den Umgebungsbedingungen bis zu 20 Fusionen katalysieren. Um aus dieser myonisch katalysierten Kernfusion netto Energie zu gewinnen, müsste man aus diesen 20 Fusionen mehr Energie gewinnen können, als zur Erzeugung der dafür erforderlichen Myonen notwendig ist. Andere Forschergruppen berichteten von bis zu 100 durch ein Myon katalysierten Fusionsreaktionen, wobei sich aufgrund eines Quanten-Resonanzeffektes bei einer Temperatur 900°C des Deuteriums ein Maximum befindet. Die Myonen-katalysierte Fusion ist auch unter dem Namen Kalte Fusion bekannt.
Höhenstrahlung
Myonen sind einer der wesentlichen Bestandteile der so genannten Höhenstrahlung. Sie werden in großer Höhe gebildet, wenn energiereiche kosmische Teilchen (vor allem Protonen und Alpha-Teilchen) auf die Atmosphäre treffen. Durch relativistische Zeitdilatation können sie trotz der kurzen Halbwertszeit die Erdoberfläche erreichen (ohne diesen relativistischen Effekt würde die Reichweite nur ca 600 m betragen). Auf Meereshöhe werden in Deutschland ca. 200 Myonen pro Sekunde und Quadratmeter gezählt.
Weblinks
- Real Video: Was sind Myonen? (Aus der Fernsehsendung Alpha Centauri)
- Kosmische Myonen und die Relativitätstheorie: Berechnung der Zeitdilatation und weitere relativistische Berechnungen