Muonio

El muonio es un átomo exótico formado por un antimuón (la antipartícula del muon, cargada positivamente) y un electrón, cuyo símbolo es Mu o μ+e-. Durante la vida media típica del muon, de 2 μs, puede formar compuestos como el cloruro de muonio (MuCl) o el muoniuro sódico (NaMu).

Debido a la diferencia de masa entre el antimuón y el electrón, el muonio se parece más al hidrógeno que el positronio. Su radio de Bohr y su energía de ionización difiere en un 0,5% de la del hidrógeno, deuterio y tritio.

Los químicos físicos consideran al muonio como un isótopo del hidrógeno, y consideran su uso en una forma modificada de espectroscopia de resonancia de espín electrónico, para analizar las transformaciones químicas y la estructura de compuestos nuevos o de propiedades electrónicas potencialmente valiosas (esta forma de resonancia de espín electrónico se denomina resonancia de espín muónico o μSR). Existen variantes de la resonancia de espín muónico, por ejemplo rotación de espín muónico, la cual usa un campo magnético aplicado de forma transversal a la dirección del haz de muones, y la llamada Resonancia de Niveles Cruzados. Esta última emplea un campo magnético aplicado longitudinalmente sobre el haz muónico, y monitoriza la relajación del espín muónico causada por las oscilaciones magnéticas del muonio sobre otros átomos magnéticos. Un autor ha considerado al muonio como el segundo radioisótopo del hidrógeno, tras el tritio.

Debido a que el muon es un leptón, los niveles de energía atómica del muonio se pueden calcular con gran precisión a partir de la electrodinámica cuántica (QED, por sus siglas en inglés), a diferencia del caso del hidrógeno, donde la precisión está limitada por las incertidumbres relacionadas con la estructura interna del protón. Por esta razón, el muonio es un sistema ideal para estudiar la QED en estado ligado y también para buscar física más allá del modelo estándar.​

Además, el átomo se utilizó para una prueba precisa de la conservación del número de leptones cargados; uno de los grandes acertijos sin resolver de la física moderna. La hipotética descomposición espontánea del muonio en su antimionio anti-átomo fue discutida por primera vez por Bruno Pontecorvo y teóricamente investigada en detalle por Gerald Feinberg y Steven Weinbergen 1961. El Instituto suizo Paul Scherrer (PSI) buscó transiciones espontáneas del átomo muonio a su antimionio antátomo. Se encontró un límite superior para la fuerza de acoplamiento 𝐺𝑀𝑀¯ del proceso de conversión (aún hipotético): 𝐺𝑀𝑀¯ <3⋅10−3 𝐺𝐹 , donde 𝐺𝐹 es la constante de acoplamiento de Fermi de la interacción débil. Esto significaba que podía descartarse un gran número de teorías especulativas más allá del modelo estándar. Se están preparando experimentos mejorados. Otra aplicación del átomo fue una prueba extremadamente precisa de simetría CPT e invariancia de Lorentz​

El átomo de muonio también se utiliza en el estudio de la materia condensada. Aquí a menudo se lo ve como un isótopo ligero de hidrógeno, con el que, entre otras cosas, tener las propiedades de difusión del hidrógeno en los materiales y las propiedades magnéticas de los materiales investigados. Con él también se puede estudiar la dinámica de los procesos químicos.

El átomo de muonio es fundamentalmente diferente de los átomos muónicos, en los que un electrón es reemplazado por un muon negativo.​

• Átomo exótico

• Hidrógeno

Conversación sobre una hipótesis lleva al descubrimiento de un diminuto átomo

en Conversación sobre una hipótesis lleva al descubrimiento de un diminuto átomo

En esta impresión artística de cómo los experimentadores podría crear muonio verdadero, un electrón (azul) y un positrón (rojo) colisionando, produciendo un fotón virtual (verde) y un átomo de muonio (amarillo pequeño) y un anti-muón (púrpura pequeño). El átomo de muonio entonces decae de nuevo en un fotón virtual y luego en un positrón y electrón. Sobreimpuesta a este proceso hay una figura indicando la estructura del átomo de muonio: un muón (amarillo grande) y un anti-muón (púrpura grande). (Gráfico: Terry Anderson/SLAC)

Físicos teóricos revelan el camino a un “muonio verdadero”.

El “muonio verdadero”, un diminuto átomo propuesto teóricamente desde hace mucho tiempo pero nunca observado, podría observarse en actuales y futuros experimentos de súper-colisionadores, basándose en el trabajo teórico recientemente publicado por investigadores del Acelerador Nacional SLAC del Departamento de Energía y la Universidad Estatal de Arizona. El muonio verdadero se propuso por primera vez hace más de 50 años, pero hasta ahora nadie había descubierto un método inequívoco mediante el cual podría crearse y observarse.

«Normalmente no trabajamos en esta área, pero un día estábamos tranquilamente charlando sobre cómo los experimentadores podían crear estados exóticos de la materia», dice el teórico de SLAC Stanley Brodsky, que trabajó junto con Richard Lebed de ASU en el resultado. «Conforme avanzaba nuestra conversación, nos dimos cuenta ‘Bueno…simplemente imaginamos cómo hacer muonio verdadero'».

El muonio verdadero está hecho de un muón y un anti-muón, y se distingue de lo que también se conoce como “muonio” – un átomo hecho de un electrón y un anti-muón. Ambos, muones y anti-muones se crean frecuentemente en la naturaleza cuando partículas energéticas del espacio – rayos cósmicos – impactan en la atmósfera de la Tierra. Aun así ambos tienen una efímera existencia, y su combinación, el “muonio verdadero” decae naturalmente en otras partículas en unas billonésimas de segundo. Esto hace que la observación del exótico átomo sea bastante compleja.

«El sistema del muonio verdadero es único”, dice Lebed, profesor asociado en el Departamento de Física de la ASU en la Facultad de Ciencias y Artes Liberales.

«Es el átomo más pequeño posible cuya física está determinada por la electricidad y el magnetismo, las mismas fuerzas que mantienen a los átomos comunes unidos; pero es 100 veces menor”, dice Lebed. «Quedé asombrado al descubrir que no sólo nadie había producido jamás átomos de muonio verdadero, sino que además los métodos que proponíamos resultaban ser novedosos y factibles inmediatamente».

En un artículo publicado el 26 de mayo en la revista Physical Review Letters – «Production of the Smallest QED Atom: True Muonium (µ+µ-) – Brodsky y Lebed describen dos métodos mediante los cuales los aceleradores electrón-positrón podrían detectar la firma de la formación del verdadero muonio y su decaimiento.

En el primer método, los rayos de electrones y positrones de un acelerador están ordenador para fusionarse, cruzando en un ángulo inclinado. Tal colisión produciría un único fotón, el cual se transformaría entonces en un único átomo de verdadero muonio que se vería claramente respecto al resto de partículas de desecho. Debido a que los nuevos átomos de muonio verdadero creados viajarían más rápidamente que bajo el gobierno de las leyes de la relatividad, decaerían más lentamente que si no fuesen más lentos, haciendo su detección más fácil.

En el segundo método, los rayos de electrón y positrón colisionan frontalmente, produciendo un átomo de muonio verdadero y un fotón, entrelazados en una nube de partículas de desecho. Simplemente retrocediendo unos contra otros, el muonio verdadero y el fotón se empujarían entre sí fuera de la nube de escombros, creando una firma única que nunca antes se ha buscado.

«Es muy probable que ya se haya creado muonio verdadero usando esta segunda forma», dice Brodsky. «Simplemente no lo han detectado».

En su artículo, Lebed y Brodsky también describen un medio posible pero más complejo mediante el cual los experimentadores podrían crear “tautonio verdadero”, un estado ligado de un leptón tau y su antipartícula. El tau se creó por primera vez en el anillo de almacenamiento SPEAR de SLAC, una hazaña por la que el físico de SLAC Martin Perl recibió el Premio Nobel de física de 1995.

«Una vez que creas unos cuantos de estos átomos, puedes estudiar en detalle su estructura usando pulsos láser increíblemente rápidos», dice Lebed. «Esto hace que sea un proyecto verdaderamente interdisciplinar combinando la física de partículas, física atómica y óptica de vanguardia».

Brodsky atribuye su hallazgo a una unión de eventos: varias charlas, conversaciones e ideas sin relación entre sí, a lo largo de los años, piezas que encajaron súbitamente durante su conversación con Lebed.

«Una vez que pones juntas todas estas ideas, dices ¡Pues claro! ¿Por qué no?’ Este es el proceso de la ciencia – intentas relacionar todo lo nuevo a lo que ya conoces, creando conexiones lógicas», dice Brodsky.

Ahora que las conexiones lógicas están firmemente establecidas, Brodsky dice que espera que uno de los colisionadores que hay en el mundo realice los experimentos que él y Lebed han descrito, preguntándose, «¿Quién no querría ver una nueva forma de materia que nadie más ha visto antes?

¿Qué pasaría si una conversación provocara el descubrimiento de un átomo diminuto?

Los físicos teóricos revelan el camino hacia el 'verdadero muonio', el Verdadero muonio, afirmó. un átomo diminuto teorizado durante mucho tiempo pero nunca visto, podría observarse en experimentos actuales y futuros de supercolisionadores, según el trabajo teórico publicado recientemente por investigadores del Laboratorio del Acelerador Nacional SLAC del Departamento de Energía y la Universidad Estatal de Arizona. El verdadero muonio se teorizó por primera vez hace más de 50 años, pero hasta ahora nadie había descubierto un método inequívoco mediante el cual pudiera crearse y observarse. No sabemos "Normalmente trabajamos en este campo, pero un día estábamos hablando ociosamente de cómo los experimentadores podían crear estados exóticos de la materia", comenta. dice el teórico de SLAC Stanley Brodsky, quien trabajó con Richard Lebed de ASU en el resultado. A medida que avanzaba nuestra conversación, nos dimos cuenta: 'Caramba... acabamos de descubrir cómo producir muonio verdadero' El muonio verdadero está hecho de un muón y un antimuón, y se distingue de lo que también se denomina muonio a un átomo formado por un electrón y un antimuón. Tanto los muones como los antimuones se crean con frecuencia en la naturaleza cuando partículas energéticas del espacio (rayos cósmicos) chocan contra la atmósfera terrestre. Sin embargo, ambos tienen una existencia fugaz, y su combinación, el "verdadero muonio", es una realidad. se desintegra naturalmente en otras partículas en unas pocas billonésimas de segundo. Esto dificulta bastante la observación del átomo exótico. El verdadero sistema de muonio es único, afirmó. dice Lebed, profesor asociado en el Departamento de Física de la Facultad de Artes Liberales y Ciencias de ASU. Es el átomo más pequeño posible cuya física está determinada por la electricidad y el magnetismo, las mismas fuerzas que mantienen unidos a los átomos ordinarios; pero es 100 veces más pequeño”, afirma. dice Lebed. "Me sorprendió descubrir no sólo que nadie había producido verdaderos átomos de muonio, sino que además los métodos que propusimos espontáneamente resultaron ser novedosos y factibles de inmediato". Producción del átomo QED más pequeño: verdadero muonio (µ+µ-) - Brodsky y Lebed describen dos métodos mediante los cuales los aceleradores de electrones y positrones podrían detectar la firma de la verdadera formación y desintegración del muonio. En el primer método, los haces de electrones y positrones de un acelerador están dispuestos para fusionarse, cruzándose en un ángulo de mirada. Tal colisión produciría un solo fotón, que luego se transformaría en un único átomo de muonio verdadero que sería arrojado lejos de los restos de otras partículas. Debido a que los verdaderos átomos de muonio recién creados viajarían tan rápido que rigen las leyes de la relatividad, se desintegrarían mucho más lentamente de lo que lo harían de otra manera, lo que facilitaría la detección. En el segundo En este método, los haces de electrones y positrones chocan de frente, produciendo un verdadero átomo de muonio y un fotón, enredados en una nube de restos de partículas. Sin embargo, simplemente al retroceder uno contra el otro, el verdadero muonio y el fotón se empujarían mutuamente fuera de la nube de escombros, creando una firma única no buscada anteriormente. Es "Es muy probable que la gente ya haya creado verdadero muonio de esta segunda manera", afirma. dice Brodsky. Simplemente no lo han detectado. En su artículo, Lebed y Brodsky también describen un medio posible, pero más difícil, mediante el cual los experimentadores podrían crear "tauonio verdadero". , " un estado unido de un leptón tau y su antipartícula. La tau se creó por primera vez en el anillo de almacenamiento SPEAR de SLAC, una hazaña por la que el físico de SLAC Martin Perl recibió el Premio Nobel de Física en 1995. Una vez que se fabrican algunos de estos átomos , se puede estudiar su estructura detallada utilizando pulsos láser increíblemente rápidos”, afirma. dice Lebed. "Se trata de un proyecto interdisciplinario verdaderamente natural que combina la física de partículas, la física atómica y la óptica de vanguardia".Brodsky atribuye su hallazgo a una confluencia de eventos: varios eventos no relacionados conferencias, conversaciones e ideas a lo largo de los años, piezas de las cuales se juntaron repentinamente durante su conversación con Lebed. Una vez que reúnes todas las ideas, dices 'De ¡curso! ¿Por qué no?' Ése es el proceso de la ciencia: intentas relacionar todo lo nuevo con lo que ya sabes, creando conexiones lógicas. Brodsky dice.Ahora que esas conexiones lógicas están firmemente establecidas, Brodsky dice que espera que uno de los colisionadores del mundo realice los experimentos que él y Lebed describen, y pregunta: ¿Quién no quiere ver una nueva forma de materia que nadie ha visto antes? El Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC es un laboratorio de programas múltiples que explora cuestiones de frontera en la ciencia de los fotones, la astrofísica, la física de partículas y la investigación de aceleradores. Ubicado en Menlo Park, California, SLAC es operado por la Universidad de Stanford para la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de EE. UU.