Космические мюоны

Каждую секунду примерно сто мюонов попадают на квадратный метр земной поверхности. Они пронизывают крыши, стены и людей, и никто этого не замечает. Мюоны — наиболее хорошо измеримая часть космических лучей и один из четырёх вкладов, которые в основном уравнении сведены воедино в эффективном потоке.

Откуда они берутся

Высокоэнергичные протоны и атомные ядра из космоса на высоте около 15 километров сталкиваются с ядрами азота и кислорода в атмосфере. Из этих столкновений возникают каскады новых частиц — атмосферные ливни. Большую их часть составляют пионы, которые за доли миллионной доли секунды распадаются на мюоны и нейтрино.

Из всех заряженных частиц этих ливней до земли доходят почти только мюоны. Остальные поглощаются раньше.

Частица, которой, собственно, не следовало бы долетать

Мюоны живут в среднем 2,2 микросекунды. Даже двигаясь со скоростью света, мюон за это время преодолел бы лишь около 660 метров — атмосфера в двадцать раз толще. По классическому расчёту практически ни один из них не должен был бы достигать земли.

Тем не менее они её достигают, причём в большом числе. Причина — замедление времени в специальной теории относительности: с точки зрения мюона путь сокращён, с точки зрения земли его внутренние часы идут медленнее. Тем самым поток мюонов на уровне моря — одно из самых красивых повседневных подтверждений теории Эйнштейна: каждую секунду, повсюду, миллионы раз.

Сколько их

Particle Data Group приводит для уровня моря около 10² мюонов на квадратный метр в секунду — примерно один на квадратный сантиметр в минуту. Средняя энергия составляет около 4 ГэВ.

Поток не везде одинаков, и притом приятно понятным образом: он заметно возрастает с высотой, потому что над головой остаётся меньше атмосферы, и слабо зависит от географической широты, потому что магнитное поле Земли отклоняет падающие первичные частицы. Кто ведёт расчёт с этим потоком, может задавать его в зависимости от места — и его можно самостоятельно измерить сравнительно простыми детекторами.

Отличие от нейтрино

Мюоны несут электрический заряд и взаимодействуют электромагнитно. Они отдают энергию, ионизуя вещество на своём пути, — это описывается потерей энергии на единицу пути, dE/dx. Отдельный мюон оставляет поэтому заметно больший сигнал, чем нейтрино, сечение взаимодействия которого на много порядков меньше.

Зато поток нейтрино во много раз плотнее и совершенно равномерен во времени, тогда как поток мюонов колеблется вместе с погодой, высотой и солнечной активностью. Оба вклада, таким образом, дополняют друг друга: один сильный и переменчивый, другой слабый и надёжный.

Применения за пределами фундаментальных исследований

Мюоны давно стали инструментом. Мюонная томография просвечивает с их помощью объекты, недоступные рентгеновскому аппарату: в 2017 году группа обнаружила так неизвестную до тех пор полость в пирамиде Хеопса. Вулканологи определяют с её помощью распределение плотности внутри действующих вулканов, а в Японии этот метод использовали, чтобы заглянуть в разрушенные энергоблоки Фукусимы.

То, что частица, открытая лишь девяносто лет назад, сегодня просвечивает пирамиды, кое-что говорит о темпе этой области.

Связанные понятия

• Основное уравнение — там поток мюонов один из четырёх вкладов
• Сечение взаимодействия — почему мюоны взаимодействуют сильнее нейтрино
• Осцилляции нейтрино — мюоны и нейтрино рождаются вместе в атмосферном ливне
• Нейтриновольтаика — подход, который хотел бы использовать оба потока

Источники

• Particle Data Group: Review of Particle Physics — Cosmic Rays (2022).
• K. Morishima и др.: Discovery of a big void in Khufu's Pyramid by observation of cosmic-ray muons. Nature 552, 386–390 (2017).
• H. Tanaka и др.: работы по мюонной томографии вулканов, Earth and Planetary Science Letters, начиная с 2007 года.