Otras carreras Muones

[Pola]

Buenos días. Tengo dos dudas con los muones.

La primera es de dónde salen. Sé que se descubriron en los rayos cósmicos, pero no sé cómo, donde ni porqué se generan. No he podido encontrarlo en ningún lado.

La segunda igual es una bestialidad. Me pregunto si existen "atómos muónicos", que en lugar de electrones tuvieran muones. Y ya por extensión si podrían existir "átomos tauónicos".

Un saludo

[teclado]

Hola Pola

https://en.wikipedia.org/wiki/Muon#Muonic_atoms

Se han construido átomos muónicos (con un muón en vez de un electrón), y se han construido átomos de muoinio, en los que un antimuón sustituye al núcleo y estados ligados entre piones y muones (o antimuones). Nada impide estados ligados de un tau (o antitau) con alguna otra partícula.

El hidrógeno muónico es más pequeño que el electrónico, y sus niveles de energía y f.d.o. vienen dados por las mismas fórmulas, sustituyendo la masa del electrón por la del muón. Un detalle, para átomos multielectrónicos es que la masa del muón es aproximadamente 1/9 de la masa del protón, lo que hace que no se pueda hacer la aproximación de núcleo pesado (masa del núcleo infinita y por ello núcleo estático) tan alegremente.

Sobre el muonio (antimuón y electrón), es estable mientras el muón no decaiga, cosa que suele hacer en microsegundos. Tras hacerlo, queda un electrón ligado a un positrón, y rápidamente se aniquilan mutuamente.

En cuanto a la generación de muones (o antimuones), surgen en reacciones electrodébiles en las que esperarías encontrar un electrón, pero en las que la energía es demasiado alta; y rápidamente decaen en electrones, un antineutrino electrónico (o muónico, siguiendo el orden de los paréntesis) y un neutrino muónico (o electrónico).

[Alriga]

...Se han construido átomos muónicos (con un muón en vez de un electrón), y se han construido átomos de muonio, en los que un antimuón sustituye al núcleo...

Pola no pierdas de vista que el muón tiene una vida media de 2.2 microsegundos, por lo que cuando se forma alguno de estos "átomos" que describe teclado, éste dura poquísimo.

La vida media del $\boldsymbol{\tau}$ es aún mucho menor, es de 0.29 billonésimas de segundo $2.9\cdot 10^{-13}$ segundos.

...dudas con los muones...Sé que se descubrieron en los rayos cósmicos, pero no sé cómo, donde ni porqué se generan...

Un rayo cósmico consistente en un protón de muy alta energía ingresa en la atmósfera y allí puede interaccionar con:

• un protón de un átomo atmosférico, la reacción es $p^++p^+ = p^++n+\pi^+$ . Se genera un pion positivo que se desintegra rápidamente en un antimuon y un neutrino muónico $\pi^+ \to \mu^++\nu_{\mu}$
• un neutrón de un átomo atmosférico, la reacción es $p^++n = p^++p^++\pi^-$ . Se genera un pion negativo que se desintegra rápidamente en un muon y un antineutrino muónico $\pi^- \to \mu^-+\bar \nu_{\mu}$

La vida media de los $\pi^+$ y los $\pi^-$ es de unos 26 nanosegundos.

Saludos.

[Pola]

Pues muchas gracias por vuestras respuestas. Pensé que había hecho una pregunta sin sentido....

Supongo que un "atomo muónico" es un átomo con un núcleo normal (protones y neutrones), mientras que el muónio, tal como explica Teclado tiene el núcleo formado por un antimuón.

Había pensado que un "átomo muónico" podría tener su núcleo formado por partículas generadas por quarks charm y strange y el "átomo tauónico" las tendría gerenardas por quarks top y botom.

Perdonar mi ignorancia, pero no sé qué significa f.d.o.

Pensando en la vida media que señala Alriga, cuesta creer que de tiempo siquiera a detectarlos...

Un saludo y gracias de nuevo

[Alriga]

...no sé qué significa f.d.o. ...

Es la abreviatura de "función de onda"

...Pensando en la vida media que señala Alriga, cuesta creer que de tiempo siquiera a detectarlos...

Recuerda que si cuando se forman los muones en la atmósfera tienen velocidades relativistas $\gamma >> 1$, el tiempo de vida que nosotros observamos está dilatado con respecto del tiempo de desintegración propio $t_0$ por el factor

$t=\gamma t_0$

$\gamma=\dfrac 1{\sqrt{1-\dfrac{v^2}{c^2}}}$

Por ejemplo, si en el momento de crearse el muon adquiere una velocidad de 0.9999c la vida media que observamos es 70.7 veces mayor que la vida media "en reposo" de $2.2 \ \mu s$

Si no existiese la dilatación relativista, un muón que nace en la alta atmósfera con una velocidad de 0.9999c solo recorrería $456$ metros antes de desintegrarse y por lo tanto no llegaría al suelo en el que están los detectores. Pero haciendo el cálculo relativista vemos que es capaz de recorrer

$L=\gamma \cdot 456$

$v=0.9999 c \to \gamma = 70.7$

$L=32$ km

Y ciertamente los detectamos, cuando si la Relatividad Especial "estuviese mal", no detectaríamos ni uno de los muones que producen los rayos cósmicos.

Saludos.

[Fortuna]

Y ciertamente los detectamos, cuando si la Relatividad Especial "estuviese mal", no detectaríamos ni uno de los muones que producen los rayos cósmicos.

Ejem, si es estuviese muy mal, los muones podrían viajar a 70.7c y tardar lo mismo. No obstante revisando el experimento se mide que v<c.

[carroza]

Hola.

Los muones, aunque no sean relativistas, se pueden producir y medir perfectamente.

La manera habitual de producirlos no consiste en esperar a rayos cósmicos. Basta tener, en un centro de aceleradores, un haz (un chorro) de protones, de energías cinéticas mayor que unos 200 MeV, y hacerlo chocar con un blanco cualquiera. Como resultado de las colisiones, se producen piones, y como bien dice Alriga , estos se descomponen en muones y neutrinos.

Ahora considera un muón que se mueve a una velocidad, digamos, de c/10, para la que los efectos relativistas son despreciables. El muón puede viajar típicamente una distancia de ${3 \cdot 10^8 \over 10} \times 2.2 \cdot 10^{-6} \simeq 60$ m, lo cual es una distancia enorme que le permite llegar a los detectores que le pongamos en el laboratorio.

Hay que darse cuenta que un microsegundo puede ser un tiempo muy corto para nosotros, pero no lo es en absoluto para una partícula elemental, para la que su ercala de tiempos es $\hbar / m c^2$.

saludos

[Pola]

Gracias a todos por vuestras respuestas.

Perdonar una pregunta, pero me he quedado con la curiosidad: ¿es una aberración pensar en la existencia de partículas formadas por los otros 2 pares de quarks?

[teclado]

A falta de una respuesta mejor, en el podcast Coffee Break he escuchado hablar de la detección de partículas encantadas, en las que un quark encanto sustituye a un quark up. Por ejemplo, un protón encantado estaría formado por ucd, en vez de por uud. Supongo que otras combinaciones serán posibles, pero siempre ten en cuenta que a los quarks de las 2a y 3a generación les pasa como a los muones; decaen rápidamente a los de la 1a.

[Pola]

Muchas gracias, Teclado. No sabía nada de las partículas que comentas.

Desde la pura ignorancia, es raro que con los quarks de la primera familia se formen partículas elementales pero con los de la segunda y la tercera, no. Aunque decaigan rápidamente, podrían existir.

[Weip]

Hola Pola.

Desde la pura ignorancia, es raro que con los quarks de la primera familia se formen partículas elementales pero con los de la segunda y la tercera, no. Aunque decaigan rápidamente, podrían existir.

También existen partículas compuestas de quarks de la segunda y tercera generación. Por ejemplo, los distintos tipos de kaones están formados por combinaciones de quarks up, down y strange. De hecho la diferencia entre el número de quarks strange y anti strange da lugar a una propiedad llamada extrañeza, útil para describir interacciones entre mesones. Otro ejemplos podrían ser mesones B, etas, y un sinfín de "zoo de partículas" con las distintas combinaciones de quarks.

La excepción a la cuestión que planteas sería el quark top: es demasiado masivo como para formar estados ligados. Por tanto, no deberían existir mesones de la naturaleza formados por quark top.

Dejo por aquí un link a la wikipedia que contiene una tabla con un montón de mesones junto con sus composiciones. Por supuesto también existen bariones y quizás partículas compuestas más exóticas formadas por quarks y gluones, pero creo que para hacerse una idea este link es suficiente.

Finalmente comentar que todas estas partículas tienen su papel en la descripción de la interacción fuerte a bajas energías. Hoy en día se siguen descubriendo partículas y midiendo sus propiedades de manera experimental. Aún falta un esfuerzo teórico muy grande en esta área porque estas propiedades no se pueden derivar analíticamente de QCD, pero justamente por eso son interesantes los misterios que plantea la interacción fuerte a bajas energías.

[Pola]

Muchas gracias, Weip. Lamento no saber suficiente para entender bien tu respuesta. El asunto que comentas sobre la descripción de la interacción fuerte y las partículas no explicadas por la QCD parece bien interesante. El artículo de Wikipedia también lo es, aunque también sobrepasa mi capacidad.
No entiendo por qué unos quarks forman núcleos atómicos y otros no.
Gracias de nuevo y un saludo

[Weip]

Hola Pola.

No entiendo por qué unos quarks forman núcleos atómicos y otros no.

Es cuestión de estabilidad: cualquier intento de núcleo atómico que intentes hacer con otros hadrones fracasa estrepitosamente en comparación con el núcleo atómico habitual porque son demasiado pesados y decaen rápidamente. De hecho ya para empezar todas estas partículas compuestas decaen tan y tan rápido que no se consideran ni partículas, técnicamente se habla de resonancias, en analogía al concepto newtoniano de resonancia.

De todas formas estos temas no se entienden completamente. Para describir un núcleo atómico normal se recurre a modelos, aproximaciones y simulaciones. No hay ninguna teoría como tal que explique cómo funcionan los núcleos de manera fundamental, de manera análoga a cómo la mecánica cuántica explica el átomo en su totalidad. Es por eso que tampoco existe una explicación completa de porqué no se pueden hacer núcleos atómicos con otros hadrones distintos de protones y neutrones, pero nuestras aproximaciones, aún no siendo fundamentales, funcionan bien para explicarlo, la clave es la estabilidad que comenté.

[Pola]

Muchas gracias, Weip. Entiendo la idea general; el problema de la estabilidad. de la que hablas. Sabía que el núcleo está regido principalmente por la fuerza fuerte y también he leído algo sobre cromodinamica cuantica. Pero no había caído en eso que comentas sobre teorías capaces de explicar el núcleo de manera similar a las que explican el átomo. Pensé que ésta englobaba a la otra, pero veo que el núcleo necesita la suya propia. Es bien curioso este mundo.

Un saludo