Quelltext der Seite Myon

{{Begriffsklärungshinweis}}
{{Infobox Teilchen
|name= Myon (μ<sup>−</sup>)
|klassifikation= [[Elementarteilchen]]<br />[[Fermion]]<br />[[Lepton]]
|hauptquelle= <ref>Die Angaben über die Teilcheneigenschaften der Infobox sind, wenn nicht anders angegeben, entnommen aus der Veröffentlichung der [[CODATA]] Task Group on Fundamental Constants (2022): {{Internetquelle |url=https://physics.nist.gov/cgi-bin/cuu/Results?search_for=muon |titel=CODATA Recommended Values |hrsg=National Institute of Standards and Technology |sprache=en |abruf=2024-06-10}} Die eingeklammerten Ziffern bezeichnen die Unsicherheit in den letzten Stellen des Wertes, diese Unsicherheit ist als [[CODATA#Standardunsicherheiten von CODATA-Werten|geschätzte Standardabweichung]] des angegebenen Zahlenwertes vom tatsächlichen Wert angegeben.</ref>
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|masse_u = {{ZahlExp|0,1134289257||suffix=(25)}}
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|lebensdauer= 2,196&nbsp;9811(22)&nbsp;·&nbsp;10<sup>−6</sup>&nbsp;s<ref>C. Patrignani u. a. ([[Particle Data Group]]): ''2017 Review of Particle Physics.'' In: ''[[Chin. Phys. C]].'' Bd.&nbsp;40, 2016, 100001 und {{Internetquelle |url=http://pdglive.lbl.gov/Particle.action?node=S004&init=0 |titel=2017 Review of Particle Physics |hrsg=Particle Data Group |sprache=en |abruf=2019-07-04}}</ref>
|wechselwirkung= [[Schwache Wechselwirkung|schwach]]<br />[[Elektromagnetische Wechselwirkung|elektromagnetisch]]<br />[[Gravitation]]
}}
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 {{Bruch|1|2}}. Myon und Elektron unterliegen der [[Elektroschwache Wechselwirkung|elektroschwachen]], jedoch nicht der [[Starke Wechselwirkung|starken Wechselwirkung]] und gehören damit zu den [[Lepton]]en. 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 (Physik)|Masse]] als das Elektron. Zur Erzeugung eines Myons ist daher eine [[Schwerpunktsenergie]] von ca. 106&nbsp;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&nbsp;Mikrosekunden.

Das Formelsymbol des Myons ist μ<sup>−</sup>. Das [[Antiteilchen]] des Myons ist das positive Myon oder '''Antimyon''' μ<sup>+</sup>. Es ist wie das [[Positron]] einfach positiv geladen.

== Historie ==
Myonen wurden 1936 von [[Carl D. Anderson]] und [[Seth Neddermeyer]] bei der Untersuchung von [[Kosmische Strahlung|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 ==
[[Datei:Muon Decay.svg|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
:<math>\mu^-\to \mathrm e^- + \bar\nu_\mathrm e + \nu_\mu</math>&nbsp;.

Selten (in 0,0034 % der Fälle) wird zusätzlich ein Elektron-Positron-Paar erzeugt:

:<math>\mu^-\to \mathrm e^- + \bar\nu_\mathrm e + \nu_\mu + \mathrm e^+ + \mathrm e^- \, .</math>

Auch die Erzeugung von [[Gammastrahlung]] ([[Photon]]en) ist möglich (Anteil {{ZahlExp|6|-8}}):

:<math>\mu^-\to \mathrm e^- + \bar\nu_\mathrm e + \nu_\mu + \gamma \, .</math>

Den Zerfall des Antimyons erhält man durch den Austausch aller Teilchen durch das jeweilige Antiteilchen
:<math>\mu^+\to \mathrm e^+ + \nu_\mathrm e + \bar\nu_\mu</math>&nbsp;.

Dem Standardmodell zufolge wird der Zerfall des Myons durch ein [[W-Boson]] vermittelt.

=== Lebensdauer ===
Die experimentell bestimmte [[Lebensdauer (Physik)|mittlere Lebensdauer]] des ruhenden positiven Myons beträgt τ&#8239;=&#8239;2,197&nbsp;μs, entsprechend einer Halbwertzeit T<sub>½</sub>&#8239;=&#8239;τ&#8239;ln&#8239;2 von etwa 1,523&#8239;μs. Das ''negative'' Myon hat in Materie einen zusätzlichen [[Zerfallskanal]]: Es kann mit einem Atomkern ein [[#Myonische Atome|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 %).<ref>{{Literatur |Autor=S. L. Meyer, E. W. Anderson, E. Bleser, I. M. Lederman, J. L. Rosen, J. Rothberg, I. T. Wang |Titel=Precision Lifetime Measurements on Positive and Negative Muons |Sammelwerk=[[Physical Review]] |Band=132 |Nummer=6 |Datum=1963 |Seiten=2693–2698 |DOI=10.1103/PhysRev.132.2693}}</ref>

==== Zeitdilatation ====

Der Zerfall von Myonen aus der [[Kosmische Strahlung|sekundären kosmischen Strahlung]] wird gerne als Lehrbuchbeispiel für die [[Zeitdilatation bewegter Teilchen]] herangezogen. Nach der [[Spezielle Relativitätstheorie|speziellen Relativitätstheorie]] erscheint die Zeit in einem mit einer Geschwindigkeit <math>v</math> bewegten System aus Sicht eines Außenstehenden um den [[Lorentzfaktor]] <math display="inline">\gamma\ = 1 / \sqrt{1-(v/c)^2}</math> gedehnt (verlangsamt). Ohne diesen Effekt würden von Myonen, die sich nahe der Lichtgeschwindigkeit ''c'' bewegen, aufgrund der kurzen [[Halbwertszeit]] von {{nowrap|1=''t''<sub>1/2</sub> = 1,5 [[Mikrosekunde|μs]]}} nach einer Wegstrecke von {{nowrap|1=''c''·''t''<sub>1/2</sub> = 450 m}} die Hälfte zerfallen. Nach 4,5&nbsp;km wäre nur noch jedes Tausendste vorhanden, nach 9&nbsp;km jedes Millionste. Tatsächlich aber erreichen die allermeisten Myonen, die in der äußeren Erdatmosphäre entstehen, den Erdboden.<ref>{{Literatur |Autor=Roman Sexl, Herbert K. Schmidt |Titel=Raum-Zeit-Relativität |Verlag=Vieweg |Ort=Braunschweig |Datum=1979 |ISBN=3-528-17236-3 |Seiten=82–85}}</ref>

Die Lebensdauer von Myonen verschiedener Energie wurde erstmals 1940 durch [[Bruno Rossi]] und [[David B. Hall]] gemessen.<ref>{{cite journal |author=B. Rossi, D. B. Hall |year=1941 |title=Variation of the Rate of Decay of Mesotrons with Momentum |journal=Physical Review |volume=59 |issue=3 |pages=223–228 |doi=10.1103/PhysRev.59.223 |language=en}}</ref><ref>{{cite journal |author=B. Rossi, K. Greisen, J. C. Stearns, D. K. Froman, P. G. Koontz |year=1942 |title=Further Measurements of the Mesotron Lifetime |journal=Physical Review |volume=61 |issue=11–12 |pages=675–679 |doi=10.1103/PhysRev.61.675 |language=en}}</ref><ref>{{cite journal |author=B. Rossi, N. Nereson |year=1942 |title=Experimental Determination of the Disintegration Curve of Mesotrons |journal=Physical Review |volume=62 |issue=9–10 |pages=417–422 |doi=10.1103/PhysRev.62.417 |language=en}}</ref><ref>{{cite journal |author=B. Rossi, N. Nereson |year=1943 |title=Further Measurements on the Disintegration Curve of Mesotrons |journal=Physical Review |volume=64 |issue=7–8 |pages=199–201 |doi=10.1103/PhysRev.64.199 |language=en}}</ref> 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&nbsp;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.<ref>{{cite journal |author=David H. Frisch, James H. Smith |year=1963 |title=Measurement of the Relativistic Time Dilation Using μ-Mesons |journal=American Journal of Physics |volume=31 |issue=5 |pages=342–355 |doi=10.1119/1.1969508 |language=en}}</ref>

=== Im Standardmodell verbotene Zerfallskanäle ===
Bestimmte neutrinolose Zerfallskanäle des Myons sind zwar [[Kinematik (Teilchenstoß)|kinematisch]] möglich, jedoch im Standardmodell verboten und bisher auch nicht beobachtet worden. Dies wird durch die Erhaltungssätze der Lepton-[[Flavour]]s ausgedrückt (Erhaltung der [[Leptonenzahl|Leptonenfamilienzahlen]] in jedem [[Feynman-Diagramm|Wechselwirkungsvertex]]), woraus auch folgt, dass das Myon kein angeregter Zustand des Elektrons ist. Beispiele für solche Zerfälle, die den Lepton-Flavour ändern würden, sind
:<math>\mu^-\to \mathrm e^- + \gamma</math>
und
:<math>\mu^-\to \mathrm e^- + \mathrm e^+ + \mathrm e^-</math>&nbsp;.

Die Beobachtung eines solchen Zerfalls wäre ein Indiz für eine neue [[Standardmodell#Physikmodelle neben dem Standardmodell|Physik jenseits des Standardmodells]] ''(Neue Physik).'' In den letzten 50&nbsp;Jahren wurde in zahlreichen Experimenten die obere Grenze für die [[Verzweigungsverhältnis]]se solcher Zerfälle ständig verbessert. Der aktuelle Grenzwert (2020) für den Zerfall <math>\mu^-\to \mathrm e^- + \gamma</math> wurde im [[MEG-Experiment]] mit 4,2&#8239;'''·'''&#8239;10<sup>−13</sup> bestimmt.<ref>{{Literatur |Autor=A. M. Baldini, Y. Bao, E. Baracchini, C. Bemporad, F. Berg |Titel=Search for the lepton flavour violating decay <math display="inline">\mu ^+ \rightarrow \mathrm {e}^+ \gamma</math> with the full dataset of the MEG experiment: MEG Collaboration |Sammelwerk=The European Physical Journal C |Band=76 |Nummer=8 |Datum=2016-08 |ISSN=1434-6044 |Seiten=434 |Online=http://link.springer.com/10.1140/epjc/s10052-016-4271-x |Abruf=2020-02-06 |DOI=10.1140/epjc/s10052-016-4271-x}}</ref> Das Experiment [[Mu3e]] plant, den Grenzwert für den anderen Zerfall von derzeit 10<sup>−12</sup> auf 10<sup>−16</sup> 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 [[Virtuelles Teilchen|virtuelle Teilchen]], die das Myon umgeben, beobachtbar. Das führt zu einer Abweichung der magnetischen Eigenschaften des Myons.

Die magnetische Anomalie des Myons <math>a_\mu</math> 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]] (<math>g_\mu^{\text{Dirac}} = 2</math>) erhält. Das Standardmodell der Elementarteilchenphysik sagt für diese Korrekturen vorher:<ref>{{Literatur |Autor=T. Aoyama et al. |Titel=The anomalous magnetic moment of the muon in the Standard Model |Datum=2020 |arXiv=2006.04822}}</ref>
:<math>a_{\mu}^\text{SM} = \frac{|g_{\mu}|-2}{2} = 0{,}001\,165\,918\,10(43)</math>

Eine Präzisionsmessung dieser magnetischen Anomalie wurde am [[Brookhaven National Laboratory]]<ref>{{Internetquelle |url=http://www.g-2.bnl.gov/index.shtml |titel=The E821 Muon (g−2) Home Page |hrsg=Ernst Sichtermann |sprache=en |abruf=2009-06-08}}</ref> 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
:<math>a_\mu^\text{BNL} = 0{,}001\,165\,920\,80(63)</math>
lag 2,2 … 2,7 Standardabweichungen über der theoretischen Vorhersage,<ref>{{Literatur |Autor=The Muon g−2 Collaboration |Titel=Final Report of the Muon E821 Anomalous Magnetic Moment Measurement at BNL |Sammelwerk=Phys. Rev. D |Band=73 |Nummer=7 |Datum=2006-04-01}}</ref> was keine signifikante Abweichung von der theoretischen Vorhersage darstellte.

Anfang April 2021 wurden erste Ergebnisse des [[Muon g-2|Myon g−2]]-Experiments am [[Fermi National Accelerator Laboratory|Fermilab]] veröffentlicht, die mit höherer Genauigkeit und einem Wert von
:<math>a_\mu^\text{FNAL} = 0{,}001\,165\,920\,40(54)</math>
diese leichte Abweichung bestätigten.<ref>{{Literatur |Autor=Muon g−2 Collaboration |Titel=Measurement of the Positive Muon Anomalous Magnetic Moment to 0.46 ppm |Sammelwerk=[[Physical Review]] Letters |Band=126 |Nummer=14 |Datum=2021-04-07 |Seiten=141801 |Online=https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.126.141801 |Abruf=2021-04-08 |DOI=10.1103/PhysRevLett.126.141801}}</ref> Es wurde noch nicht die in der Teilchenphysik üblicherweise geforderte [[Statistische Signifikanz|Signifikanz]] von mindestens 5&#8239;σ erreicht, aber die Wahrscheinlichkeit, dass sich die Abweichung rein zufällig ergab, liegt in der Größenordnung 1:40&#8239;000.<ref>''[https://www.bnl.gov/newsroom/news.php?a=118760 First results from Fermilab’s Muon g−2 experiment strengthen evidence of new physics]'', Pressemitteilung des Brookhaven National Laboratory, 7. April 2021 (englisch)</ref>

Das kombinierte Ergebnis von Brookhaven und Fermilab weicht daher um
:<math>a_\mu^\text{komb.} - a_\mu^\text{SM} = (241 \pm 59) \times 10^{-11}</math>
vom theoretisch vorhergesagten Ergebnis ab, was mit 4,2 Standardabweichungen einer Wahrscheinlichkeit für einen Zufall von etwa 1:100&#8239;000 entspricht.

== Myon und Standardmodell ==
Wenn das gemessene magnetische Moment des Myons größer ist als das auf Basis des [[Standardmodell der Teilchenphysik|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 [[Kosmologie|Kosmologen]] als sicher gilt. Dieses Modell krankt leider daran, dass der [[LHC]] bis zum Wert von etwa 1000 Protonenmassen keine Superpartner gefunden hat<ref name="CAS">Davide Castelvecchi: ''What’s next for physics’ standard model? Muon results throw theories into confusion.'' Nature 593, 7857, S.&nbsp;18–19 (2021)[https://www.nature.com/articles/d41586-021-01033-8]</ref>. 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<ref name="CAS" /> (der LHC kann solche Zerfälle nicht detektieren<ref name="CAS" />). 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-Meson]]en 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 Elektronen<ref>LHCb Collaboration ''et al.'': Preprint [https://arxiv.org/abs/2103.11769] (zitiert nach Castelvecchi)</ref>, und das kann kein SUSY-Modell erklären.<ref name="CAS" />

Zuletzt werden einige [[Große vereinheitlichte Theorie]]n, die die [[Starke Kraft|starke]], [[Elektromagnetismus|elektromagnetische]] und [[Schwache Kraft|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 [[Leptoquark]]s 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 angestrebt<ref>Sz. Borsani ''et al.'': Nature 593 (2021), S.&nbsp;51–55 (zitiert nach Castelvecchi)</ref> in der Hoffnung, dass dieser sich dann doch dem experimentellen Ergebnis annähern könnte.<ref name="CAS" />

== 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 [[Erdatmosphäre|Atmosphäre]]. Die meisten Myonen entstehen in der äußeren Atmosphäre: In einer Höhe von etwa 10&nbsp;km sind schon 90&nbsp;Prozent aller in der gesamten Atmosphäre produzierten Myonen entstanden.<ref name="Theodórsson1996">{{Literatur |Autor=Páll Theodórsson |Titel=Measurement of Weak Radioactivity |Verlag=World Scientific |Datum=1996 |ISBN=981-02-2315-3 |Seiten=85 |Online=[http://books.google.com/books?id=TG6fypCTGN4C&pg=PA79 books.google.com] |Abruf=2012-04-22}}</ref> Die Reaktionen der primären Strahlung erzeugen zunächst [[Pion]]en und zu einem kleineren Teil [[Kaon]]en; 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&nbsp;pro Quadratmeter und Sekunde, das gemessene Verhältnis μ<sup>+</sup>/μ<sup>−</sup> bei etwa 1,27.<ref>C. Grupen: ''Astroparticle Physics.'' Springer 2005, ISBN 3-540-25312-2, S.&nbsp;149.</ref>

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 [[Laboratori Nazionali del Gran Sasso|Gran-Sasso-Labor]]) durchzuführen.

Am [[Auger-Observatorium]] verdichteten sich 2016 die Hinweise auf einen durch gängige Modelle der Hochenergiephysik nicht erklärbaren Myonen-Überschuss in der kosmischen Strahlung, der entweder auf neue Physik hinweist (bei Primärenergien der kosmischen Strahlung von 10<sup>19</sup>&#8239;eV in der oberen Atmosphäre entspricht das Schwerpunktsenergien der Kollision mit Luftmolekülen von 110 bis 170&nbsp;TeV und damit dem Zehnfachen des beim LHC erreichbaren Werts) oder auf Lücken im Verständnis hadronischer Kollisionsprozesse.<ref>Dirk Eidemüller: ''[http://www.pro-physik.de/details/news/10054831/Myonen-Ueberschuss_bei_kosmischen_Schauern.html Myonenüberschuss in kosmischen Schauern.]'' In: ''Pro-Physik.de.'' 7. November 2016.</ref><ref>A. Aab u. a.: ''Testing Hadronic Interactions at Ultrahigh Energies with Air Showers Measured by the Pierre Auger Observatory.'' In: ''Phys. Rev. Lett.'' 117, 192001 (2016).</ref>

== Erzeugung von Myonen ==

Myonen lassen sich mit Teilchenbeschleunigern erzeugen, indem man hochenergetische Protonen auf ein [[Target (Physik)|Target]] schießt. Dabei entstehen geladene [[Pion]]en (π<sup>−</sup>, π<sup>+</sup>), die mit einer [[Halbwertszeit]] von {{ZahlExp|1,8|-8|post=s}} in Myonen und Neutrinos zerfallen. Aufgrund der Zeitdilatation entspricht dies je nach Energie einer Flugstrecke von wenigen bis zu einigen hundert Metern. Aus dem so entstehenden Strahl von Pionen, Myonen und anderen Teilchen lassen sich Myonen herausfiltern, indem man den Strahl durch eine dicke Materialschicht (Absorber) leitet, den die [[Starke Wechselwirkung|stark wechselwirkenden]] Teilchen (Pionen, Kaonen, …) nicht durchdringen können. Auch wenn man einen Strahl aus Myonen und Pionen (und anderen Teilchen) in einen [[Speicherring]] leitet, dessen elektrische und magnetische Felder speziell auf die Myonenmasse eingestellt sind, werden die Myonen herausgefiltert, denn nur diese werden gerade so abgelenkt, dass sie dem Ringverlauf folgen.

Ein Nebeneffekt bei der Erzeugung über Pionen ist, dass die Myonen polarisiert sind. Beim Zerfall <math display="inline">\pi^- \to \mu^- +\bar\nu_\mu</math> ist das Myon [[Chiralität (Physik)|linkshändig]], und entsprechend ist beim Zerfall <math display="inline">\pi^+ \to \mu^+ +\nu_\mu</math> das Antimyon rechtshändig. Im Ruhesystem des Pions zeigt daher der Spinvektor des wegfliegenden Myons in Vorwärtsrichtung, der des Antimyons in Rückwärtsrichtung.

== Nachweis von Myonen ==
Myonen mit ihrer meist hohen kinetischen Energie erzeugen in Materie durch viele aufeinander folgende Stöße lange [[Ionisation]]sspuren, die zur Detektion dienen können. Da sie sich meist mit nahezu [[Lichtgeschwindigkeit]] bewegen, erzeugen sie z.&nbsp;B. in Wasser [[Tscherenkow-Strahlung]].

Auch [[Szintillator]]en und [[Halbleiterdetektor]]en sind auf Myonen empfindlich. Die Myonen aus der sekundären kosmischen Strahlung beispielsweise machen in [[Gammaspektroskopie|Gammaspektrometern]] oft den Hauptteil des [[Nulleffekt]]s aus, denn sie können wegen ihrer hohen Energie mehrere Meter Blei durchdringen und sind im Labor daher kaum [[Abschirmung (Strahlung)|abschirmbar]].

In Experimenten der Teilchenphysik werden Myonen von anderen Teilchen durch verschiedene Techniken unterschieden:
* Durch Messen längerer Spuren können Ursprungsort und die Bewegungsrichtung der Myonen bestimmt werden.
* Durch Messen von Spuren in Magnetfeldern kann das Verhältnis von Ladung zu Impuls bestimmt werden. Zusammen mit einer Geschwindigkeitsmessung kann auf die Masse des Teilchens geschlossen werden.
* Das hohe Durchdringungsvermögen für Materie kann ebenfalls zur Identifikation dienen.

== Experimente mit Myonen ==
=== Myonische Atome ===
Wie Elektronen können die negativ geladenen Myonen an [[Atomkern]]e gebunden werden. Der zugehörige [[Bohrscher Radius|Bohrsche Radius]] der „Myonbahn“ um den Atomkern ist aber um das Verhältnis der [[Masse (Physik)|Masse]] des Myons zum Elektron kleiner. Damit sind Myonen viel enger als Elektronen an den Kern gebunden, sich im Kernbereich zu bewegen, ist dadurch um etwa 7&nbsp;Größenordnungen wahrscheinlicher als bei Elektronen.

Insbesondere bei schweren Atomkernen und bei Myonen, die nach dem Einfang das [[Atomorbital|1s-Orbital]] belegen, steigt die Wahrscheinlichkeit des Aufenthalts eines Myons innerhalb des [[Atomkern]]s auf signifikante Werte. Wenn das Myon dann vom Kern absorbiert wird, kommt es zum [[Betazerfall|inversen Betazerfall]] und ein [[Proton]] wird in ein [[Neutron]] umgewandelt. Hierbei entstehen zusätzlich ein [[Neutrino]] und eventuell einige Gamma-Quanten. Der neu entstandene Atomkern ist häufig [[Radioaktivität|radioaktiv]]. Durchläuft dieser in der Folge einen normalen Betazerfall, entsteht wieder der ursprüngliche Atomkern.

Ein gebundenes Myon hat aufgrund der zusätzlichen Reaktionswahrscheinlichkeit eine deutlich geringere Lebensdauer, in [[Kupfer]] z.&nbsp;B. etwa 0,163&nbsp;μs. Dies wird z.&nbsp;B. in der Myonen-Spin-Analyse genutzt.

Da das gebundene Myon einen Teil der Kernladung abschirmt, verschieben sich die Energieniveaus der gebundenen Elektronen. Weiterhin gilt das [[Pauli-Prinzip]] zwar jeweils für Elektronen und Leptonen untereinander, aber nicht zwischen verschiedenen Teilchenarten. So können in einem myonischen Atom neben zwei Elektronen im 1s-Zustand zusätzlich ein oder zwei Myonen im 1s-Zustand existieren.

Dem gebundenen Myon steht als einzig zusätzlicher Zerfallsweg –&nbsp;neben sämtlichen Zerfallskanälen des freien Myons&nbsp;– der Kerneinfang offen. Kerneinfang ist für schwere Kerne der dominierende Prozess. Nach weiteren Zerfallsmöglichkeiten wird derzeit gesucht, z.&nbsp;B. der sogenannten Myon-Elektron-Konversion, <math>\mu^- + Z\, \rightarrow\,\mathrm e^- + Z</math>. Da dieser Prozess im [[Standardmodell]] der Teilchenphysik nicht möglich ist, wäre er ein eindeutiges Zeichen sogenannter ''Neuer Physik.''

Antimyonen können mit ihrer positiven Ladung hingegen, ähnlich wie Protonen oder Positronen, selber ein Elektron einfangen. Dabei entsteht ein [[Exotische Atome|exotisches Atom]], das [[Myonium]] genannt wird.

==== Messung des Protonenradius ====
Die Messung der [[Lamb-Verschiebung]] von normalem Wasserstoff und [[Myonischer Wasserstoff|myonischem Wasserstoff]] ist eine Möglichkeit, den Protonenradius (genauer: rms-[[Ladungsradius]]) zu bestimmen. Sie ist auf Grund unterschiedlicher Entfernungen zwischen Proton und dem entsprechenden Lepton unterschiedlich und ermöglicht  durch Messung der Energiedifferenzen zwischen 2s- und 2p-[[Atomorbital|Zuständen]] die Abweichung vom [[Coulomb-Potential]] auf sehr kleinen Entfernungsskalen zu bestimmen. Messungen in den Jahren 2010 und 2013 ergaben einen Protonradius, der signifikant von dem Wert abwich, den man bei Streuexperimenten an [[Wasserstoff|elektronischem Wasserstoff]] erhalten hatte. Nach weiteren Messungen konnte die [[Particle Data Group]] jedoch 2022 feststellen, dass diese Diskrepanz geklärt sei („the puzzle appears to be resolved“) – ''Details siehe [[Proton#Räumliche Ausdehnung|Proton → Räumliche Ausdehnung]].''

=== Myonium ===

[[Myonium]] ist ein gebundenes System aus einem μ<sup>+</sup> und einem Elektron. Es entspricht also einem Wasserstoffatom, bei dem das Proton des Kerns durch ein Antimyon ersetzt ist. Da das Myon im Gegensatz zum Proton keine Substruktur hat, sind mit Myonium Experimente zu fundamentalen Wechselwirkungen mit hoher Präzision möglich.

=== Tief inelastische Streuung ===

Für die Erforschung der Substruktur von Protonen und Neutronen durch [[tief inelastische Streuung]] sind Elektronen und Myonen gleichermaßen geeignet. Elektronenstrahlen lassen sich zwar weitaus einfacher erzeugen als Myonenstrahlen, aber mit letzteren lassen sich höhere Energien und damit Messungen mit höherer Auflösung erreichen. Die [[European Muon Collaboration]] (EMC) am [[CERN]] verfügte schon in den 1980er Jahren beim Experiment [[NA2]] über einen Myonenstrahl von bis zu 280&nbsp;GeV Energie, der am [[Super Proton Synchrotron]] (SPS) erzeugt wurde, während die Energie des Elektronenstrahls am [[Stanford Linear Accelerator Center]] (SLAC) auf 50&nbsp;GeV beschränkt war. Auch der später gebaute [[Large Electron-Positron Collider]] (LEP) am CERN erreichte im Jahr 2000 eine Rekordmarke von „nur“ 104,5&nbsp;GeV (und wurde ohnehin für andere Zwecke verwendet).

=== Myonen-katalysierte Fusion ===
Wird ein Myon von einem [[Deuterium]]- oder einem Deuterium-[[Tritium]]-[[Molekül]] (D<sub>2</sub> bzw. DT) eingefangen, dann entsteht ein positives myonisches Molekül[[ion]], da die relativ große Bindungsenergie des Myons die beiden [[Elektron]]en des Moleküls freisetzt. In diesem myonischen Molekül-Ion sind die beiden Atomkerne einander etwa 200-mal näher als in einem elektronischen Molekül. Das ermöglicht durch den [[Tunneleffekt]] die [[Kalte Fusion|Fusion]] der beiden Kerne. Die sehr große durch die Fusion frei werdende Energie (bei D+D rund 3&nbsp;MeV, bei D+T 14&nbsp;MeV) setzt auch das Myon wieder frei und es kann während seiner Lebensdauer je nach Umgebungsbedingung viele weitere (Größenordnung 10<sup>2</sup>) Einzelfusionen [[Katalyse|katalysieren]].<ref>W. H. Breunlich: ''Myon Catalyzed Fusion. Nuclear Physics A.'' Bd.&nbsp;508 (1990) S.&nbsp;3–15.</ref>

Die myonenkatalysierte Fusion wurde erstmals von [[Andrei Sacharow]] als Methode zur Energiegewinnung durch „[[kalte Fusion]]“, also nicht-[[Thermonukleare Reaktion|thermonukleare]] Fusion, vorgeschlagen. Um mit dieser Methode Nutzenergie erzeugen zu können, müssten die bis zum Zerfall des Myons (Lebensdauer 2,2&nbsp;μs) stattfindenden Einzelfusionen mehr Energie freisetzen, als für die Erzeugung des Myons benötigt wurde. Aktuelle [[Teilchenbeschleuniger]]-Anlagen sind davon viele Größenordnungen entfernt. Bis heute sind keine experimentellen oder theoretischen Ergebnisse anerkannt, die zweifelsfrei eine Myonen-katalysierte Fusion zur Energiegewinnung möglich erscheinen lassen.<ref>{{Literatur |Titel=Energiequellen. Die kalte Fusion – Wunsch oder Wirklichkeit? |Datum=2014-11-20 |Online=https://www.spektrum.de/wissen/die-kalte-fusion-wunsch-oder-wirklichkeit/1315962 |Abruf=2018-04-12}}</ref><ref>{{Literatur |Autor=Bart Simon |Titel=Undead Science: Science Studies and the Afterlife of Cold Fusion |Auflage=1 |Verlag=Rutgers University Press |Datum= |ISBN=978-0-8135-3153-3}}</ref>

=== Tomografie ===
Die kosmische Strahlung enthält Myonen mit einer Energie von mehreren GeV. Durch ihre hohe [[kinetische Energie]] können sie mehrere Kilometer dicken Fels durchdringen, bevor sie auf Geschwindigkeiten deutlich unter der Lichtgeschwindigkeit abgebremst sind und zerfallen. Daher kann man sie bei der [[Myonentomografie]] zum Durchleuchten größerer Objekte nutzen. Dazu werden die Myonen der kosmischen Strahlung verwendet und ihre Streustrahlung gemessen und [[Tomografie|tomographisch]] ausgewertet. Auf diese Weise wurden beispielsweise in den 1960er Jahren die [[Chephren-Pyramide]] von [[Luis Walter Alvarez]] untersucht und ab 2017 mehrere Hohlräume in der [[Cheops-Pyramide]] entdeckt.<ref>''[https://www.nature.com/articles/nature24647.epdf?referrer_access_token=Oj7D5ZpyFs1K68XJFsvzmtRgN0jAjWel9jnR3ZoTv0NX_aQYa_sWR4tLmZ6xtEbxb6KJnXpeBv3CwFvwtqamZx2s4OO2_6IdFWvQwAS0JNaHLI_foTEW0u4n0odiTkHO0Rk-dUnq632ochzJAXqWAhQNTzYy4f5rSiYELZ7sQDB_afRp4HGOLVSbmchV-dVS2X_mk-_XmecLXws4e2WOPhQDP6_m-LMCuEXdNe-GIFS6NI6ysLOVbU6tK1s6II_AaApREpTUuWkBnt8oK78190cN0h0JzMLHEqYCSduPBv0%3D Discovery of a big void in Khufu’s Pyramid by observation of cosmic-ray muons].'' Autoren: Morishima, K. et al., auf: ''nature.com'' vom 2. November 2017, abgerufen am 2. November 2017.</ref><ref>{{Internetquelle |autor=Nadja Podbregar |url=https://www.scinexx.de/news/archaeologie/cheops-pyramide-neue-kammer-entdeckt/ |titel=Cheops-Pyramide: Neue Kammer entdeckt |hrsg=''scinexx.de'' |datum=2023-03-02 |sprache=de-DE |abruf=2023-03-02}}</ref>

Im Jahr 2009 wurde die Methode auf den [[Vulkan]] [[Iō-dake]] ({{jaS|硫黄岳}}) auf der Insel [[Iojima (Kagoshima)|Iojima]] ([[Kikai-Caldera]], [[Ōsumi-Inseln]]) angewandt. Dadurch konnte die [[Dichte]]<nowiki />verteilung des Vulkans ermittelt werden.<ref name="BdW2009" /><ref name="Tanaka" />

== Trivia ==
Das 1936 entdeckte Myon wurde zunächst für das 1935 von [[Hideki Yukawa]] postulierte Austauschteilchen der [[Starke Wechselwirkung|Kernkraft]] gehalten, das heute als [[Pion]] bekannt ist. Dieser Irrtum rührte daher, dass das Myon bis zur Entdeckung des Pions im Jahr 1947 das einzige bekannte Teilchen war, dessen Masse ungefähr der vorhergesagten Masse des Yukawa-Teilchens entsprach.

Die unerwartete Entdeckung eines Teilchens, das sich wie das Elektron verhielt, aber eine 207-mal höhere Masse hatte, veranlasste [[Isidor Isaac Rabi]] zu seinem berühmten Ausspruch: „Who ordered ''that''?“ („Wer hat denn ''das'' bestellt?“).<ref>zum Beispiel Stephen F. King, [https://cerncourier.com/a/who-ordered-all-of-that/ Who ordered that ?], Cern Courier, 2. Januar 2020</ref>

== Weblinks ==
{{Wiktionary}}
* {{Alpha Centauri|144}}
* [https://nmi3.eu/ ''Integrated Infrastructure Initiative for Neutron Scattering and Muon Spectroscopy (NMI3).''] Europäisches Konsortium mit 18 Partnerorganisationen aus 12 Ländern, alle wichtigen Einrichtungen in den Bereichen Neutronenstreuung und Myonspektroskopie. (Englisch).

== Einzelnachweise ==
<references>
<ref name="BdW2009">
{{Literatur
 |Titel=Blick in den Schlund
 |Sammelwerk=Bild der Wissenschaft
 |Nummer=10
 |Datum=2009
 |Seiten=61 f.
 |Online=https://www.wissenschaft.de/allgemein/blick-in-den-heissen-schlund/}}
</ref>
<ref name="Tanaka">
{{Literatur
 |Autor=Hiroyuki K. M. Tanaka, Tomohisa Uchida, Manobu Tanaka, Hiroshi Shinohara, Hideaki Taira
 |Titel=Cosmic‐ray muon imaging of magma in a conduit: Degassing process of Satsuma‐Iwojima Volcano, Japan
 |Sammelwerk=Geophysical Research Letters
 |Band=36
 |Nummer=1
 |Datum=2009
 |Seiten=
 |DOI=10.1029/2008GL036451}}
</ref>
</references>

{{Normdaten|TYP=s|GND=4170940-8}}

[[Kategorie:Lepton]]