Μιόνια: Επαληθεύοντας την Ειδική Θεωρία της Σχετικότητας

Όλη η ύλη γύρω μας αποτελείται από συστατικά στοιχεία τα οποία είναι γνωστά ως «σωματίδια». Δεν είναι όμως όλα τα σωματίδια ίδια μεταξύ τους. Υπάρχουν σωματίδια τα οποία μπορούν να επιβιώσουν για χρόνους μεγαλύτερους από το χρόνο ζωής του Σύμπαντος (ο οποίος δεν είναι και μικρός, είναι κάτι λιγότερο από 14 δισεκατομμύρια χρόνια) αν δεν τα πειράζει κανείς. Ένα τέτοιο σωματίδιο είναι το πρωτόνιο. Υπάρχουν και αυτά τα οποία θα διασπαστούν μόνα τους σε επιμέρους σωματίδια μέσα σε πεπερασμένο χρόνο, ο οποίος πολλές φορές είναι μετρήσιμος με κατάλληλο εργαστηριακό εξοπλισμό.

Τα μιόνια είναι σωματίδια που εντάσσονται στη δεύτερη κατηγορία. Για την ακρίβεια, έχουν χρόνο ημιζωής 2,2 εκατομμυριοστά του δευτερολέπτου και διασπώνται σε άλλα υποατομικά σωματίδια, όπως ηλεκτρόνια και νετρίνα.

Μέχρι τη δεκαετία του 30, οι επιστήμονες πίστευαν ότι είχαν αποσαφηνίσει πλήρως την ύλη. Η ύλη αποτελείται από άτομα, τα άτομα αποτελούνται από πρωτόνια, νετρόνια και ηλεκτρόνια, και αυτό είναι όλο. Το 1936 όμως, ο Καρλ Ν. Άντερσον και ο πρώτος του φοιτητής Σεθ Νεντεμέγιερ, μελετώντας σωματίδια της κοσμικής ακτινοβολίας, σωματίδια δηλαδή που προέρχονται από εξωγήινες πηγές, οι οποίες πολλές φορές βρίσκονται στο μακρινό Σύμπαν, ανακάλυψαν το μιόνιο. Αρχικά νόμιζαν πως είχαν ανακαλύψει το πιόνιο, ένα σωματίδιο που είχε προβλέψει ο Χίντεκι Γιουκάβα στη θεωρία του για την ισχυρή αλληλεπίδραση*. Όταν όμως έγινε αντιληπτό ότι πρόκειται για ένα άλλο, νέο σωματίδιο, ο Νομπελίστας φυσικής Ίσιντορ Ι. Ράμπι είπε τη διάσημη ατάκα “ποιος το παρήγγειλε αυτό;” (who ordered that?).

Σύμφωνα με σύγχρονους πειραματικούς υπολογισμούς, η μάζα των μιονίων είναι 106 ΜeV/c² ** ή 1.29×10^-25g, είναι δηλαδή 200 φορές πιο μαζικά από τα ηλεκτρόνια αλλά και 18 φορές πιο ελαφριά από τα πρωτόνια. Το γεγονός αυτό οδήγησε τους επιστήμονες να τα ονομάσουν μεσόνια, σωματίδια δηλαδή που φέρουν μάζα ανάμεσα σε αυτή του ηλεκτρονίου και του πρωτονίου. Περίπου μια δεκαετία αργότερα ανακαλύφθηκε πειραματικά και δεύτερο μεσόνιο (αργότερα γνωστό ως πιόνιο) οπότε για να τα διαχωρίζουν, έδωσαν στο πρώτο το όνομα μιόνιο από το ελληνικό γράμμα μ που στα αγγλικά προφέρεται “μιου” (mu).

Το μιόνιο αποτελεί το πρώτο σωματίδιο που πρώτα ανακαλύφθηκε σε αστρονομικού ενδιαφέροντος μετρήσεις και μετά στο εργαστήριο. Έχουν εξαιρετικά μεγάλο ενδιαφέρον για την Αστροφυσική καθώς έχουν χρησιμεύσει στο παρελθόν, και χρησιμεύουν κάθε μέρα, για να επαληθεύσουν μεταξύ άλλων την ειδική θεωρία της Σχετικότητας του Άλμπερτ Αϊνστάιν. Για να καταλάβουμε το ρόλο των μιονίων στην Αστροφυσική και πώς επαληθεύουν την ειδική θεωρία της Σχετικότητας, στο επόμενο μέρος θα μελετήσουμε τη ζωή ενός από αυτά το οποίο παράχθηκε στην ατμόσφαιρα της Γης και στη συνέχεια κατευθύνθηκε στην επιφάνειά της.

Για να καταλάβουμε το ρόλο των μιονίων στην Αστροφυσική και πώς επαληθεύουν την ειδική θεωρία της Σχετικότητας, στο επόμενο μέρος θα μελετήσουμε τη ζωή ενός από αυτά το οποίο παράχθηκε στην ατμόσφαιρα της Γης και στη συνέχεια κατευθύνθηκε στην επιφάνειά της.

*Υπάρχουν τέσσερις δυνάμεις στη φύση: η βαρύτητα, η ηλεκτρομαγνητική, η ασθενής και η ισχυρή. Η ισχυρή δύναμη είναι αυτή λόγω της οποίας τα πρωτόνια και τα νετρόνια μένουν δέσμια στον πυρήνα του ατόμου.

**Ένα ηλεκτρονιοβόλτ (συμβολισμός: eV, προφέρεται «η-βί») αποτελεί μονάδα μέτρησης της ενέργειας αλλά και μάζας σε ατομικό και υποατομικό επίπεδο. Ένα eV εκφράζει το ποσό της κινητικής ενέργειας που αποκτά ένα ελεύθερο ηλεκτρόνιο καθώς περνά από ηλεκτροστατική διαφορά δυναμικού ενός βολτ (V), στο κενό. Το συνολικό ποσό ενέργειας ενός ηλεκτρονιοβόλτ είναι: 1 eV = 1.602 × 10^-19 J. Το ηλεκτρονιοβόλτ δεν αποτελεί μονάδα του SI, αλλά γίνεται δεκτή η χρήση του με άλλες μονάδες του ιδίου συστήματος .

Πηγές:

https://www.symmetrymagazine.org/article/june-2012/through-a-muons-eyes

Από τα κουάρκ μέχρι το Σύμπαν, Ε. Οικονόμου, Πανεπιστημιακές Εκδόσεις Κρήτης