Vuonna 1900, pian sen jälkeen kun elektroni ja radioaktiivisuus oli löydetty, lordi Kelvin totesi kuuluisasti:

Fysiikassa ei ole mitään uutta löydettävää. Jäljellä on vain yhä tarkempia mittauksia

Hän osoittautuisi hirvittävän väärässä olevaksi. Ytimen ja sitten sen rakenneosien, protonin ja neutronin, löytäminen mullisti käsityksemme siitä, mistä maailma koostuu. Käsityksemme maailmasta muuttui klassisesta kvanttimekaniikasta kvanttimekaniikkaan, ja vuoteen 1933 asti kvanttimekaniikka eteni menestyksestä toiseen kokeellisten havaintojen kuvaamisessa. Tämä huipentui Diracin yhtälöön, joka ennusti antiaineen olemassaolon, ja pian sen jälkeen antielektronin (positronin) löytyminen vahvisti sen. Fyysikoiden omahyväisyys jäi kuitenkin lyhytaikaiseksi. Kulissien takana kaikki ei ollut hyvin. Kvanttimekaniikka kamppaili löytääkseen selityksen hiukkasille, joita satoi maapallolle kosmoksesta 10 000 kappaletta minuutissa neliömetriä kohti. Todellinen fysiikan valovoima yritti ymmärtää näiden “kosmisten säteiden” hiukkasten luonnetta. Koska tuohon aikaan ainoat tunnetut hiukkaset olivat elektronit, protonit, neutronit, fotonit ja (vielä suoraan havaitsematta olevat) neutriinot. Oletettiin, että nämä maahan saapuvat kosmisen säteilyn hiukkaset olivat elektroneja.
Ongelma tässä (väärässä) oletuksessa oli se, että maapallolle satavat “elektronit” näyttivät olevan kahta lajia -1. sellaisia, jotka absorboivat helposti lyijylohkareet ja jotka synnyttivät lyijyn kanssa vuorovaikutukseen joutuessaan sekundäärisen elektronien, positronien ja fotonien suihkun ja 2. sellaisia, jotka absorboivat helposti lyijylohkareet ja synnyttivät sekundäärisen elektronien, positronien ja fotonien suihkun. ne, jotka tunkeutuivat lyijylohkareiden läpi auliisti.

Aluksi kvanttimekaniikalla ei ollut selitystä sille, miksi elektronien pitäisi käyttäytyä kummallakaan näistä tavoista, mutta vähitellen teoriaa muutettiin (erityisesti Bethe, Carlson, Heitler ja Oppenheimer). He löysivät tavan kuvata tyypin 1 (lyijyyn suihkuava “elektroni”), mutta valitettavasti heillä ei ollut samanlaista onnea löytää selitystä tyypin 2 läpäiseville hiukkasille. Teoreettiset fyysikot (jotka olivat siihen asti olleet niin menestyksekkäitä) olivat epätoivoisia. Oppenheimer, joka oli aina kaveri, joka halusi lisätä tilanteeseen hieman vakavuutta ja joka yleensä piti lasinsa mieluummin puoliksi tyhjänä, kirjoitti veljelleen vuonna 1934:

Oppenheimer:

Kuten epäilemättä tiedätte, teoreettinen fysiikka – neutriinojen kummitukset, Kööpenhaminan vakuuttuneisuus vastoin kaikkia todisteita siitä, että kosmiset säteet ovat protoneja, Bornin täysin kvantifioimaton kenttäteoria, positroniin liittyvät divergenssivaikeudet ja täydellinen mahdottomuus tehdä ylipäätään tiukkaa laskentaa – on helvetinmoisessa

Nopeasti ajatus siitä, että tunkeutuvat hiukkaset olisivat protoneja, hylättiin, ja fysiikkayhteisö joutui jyrkän valinnan eteen: uusi hiukkanen tai sen hyväksyminen, että kvanttimekaniikka oli toivottoman virheellinen. Jonkin aikaa (joka nyt on sopivasti unohdettu) he hämäsivät asiaa ja alkoivat puhua sotto voce “punaisten ja vihreiden elektronien” mahdollisuudesta – toinen tyyppi absorboituu ja toinen tunkeutuu.

Onneksi eurooppalaisten ja yhdysvaltalaisten ryhmien innoittamana kehittämä uusi koetekniikka merkitsi sitä, että tunkeutuvista hiukkasista saatiin entistä tarkempia kokeellisia havaintoja. Nämä kokeelliset innovaatiot (yhdistettynä uusiin läpimurtoihin teoriassa) mahdollistivat tulkinnan, joka johti väistämättömään totuuteen: läpäisevät hiukkaset olivat jotain elektronin kaltaista, mutta huomattavasti raskaampaa.

Hiukkaselle annettiin alun perin nimi “mesotroni”. Kuten usein tieteessä, ei ollut “Heureka-hetken” löytö, vaan uuden paradigman asteittainen hahmottuminen monien ihmisten sekä teoreettisen että kokeellisen työn kautta. Anderson sai kunnian (koska hän oli jo saanut Nobelin palkinnon positronin havaitsemisesta, se oli luultavasti helpommin myytävissä…), mutta mukana oli huomattava joukko dramaattisia henkilöitä – Bethe, Heitler, Rossi, Neddermeyer, Street, Stevenson, Carlson ja Oppenheimer – joiden panosta ilman “mesotronia” ei olisi löydetty. “Mesotroni” nimettiin nopeasti uudelleen myoniksi, ja kävi selväksi, että myoni ei ollut punainen tai vihreä elektroni, sillä jos se olisi vain raskas tai energisempi elektroni, sen pitäisi hajota elektroniksi ja fotoniksi, eikä tätä havaittu. Myoni näytti olevan oma erillinen hiukkasensa, ja niinpä myoni oli (elektronin jälkeen) toinen löydetty perushiukkanen (eli hiukkanen, joka ei näytä koostuvan muista hiukkasista). Sen löytäminen merkitsi siten hiukkasfysiikan alkua oppiaineena.

Muonit – en tuntenut mitään.

Päässäsi pyörii useita satoja myoneja joka toinen minuutti. Onneksi niiden alhainen energia (ja suuri massa) tarkoittaa, että ne ovat vaarattomia. Nämä myonit ovat peräisin kosmisten säteiden (pääasiassa tähtien syöksemien protonien) törmäyksistä yläilmakehämme atomien kanssa. Niiden löytämisen jälkeen havaittiin, että näiden myonien määrä väheni lähestyttäessä maapalloa, ja luonnollinen (ja oikea) johtopäätös oli, että ne eivät ole elektronin kaltaisia stabiileja hiukkasia, vaan hiukan lentäviä hiukkasia (ja päiviä), jotka hajoavat toisiksi tutuimmiksi hiukkasiksi (elektroneiksi ja neutriinoiksi) noin 2 miljoonasosasekunnissa. Tässä vaiheessa tiedettiin, mikä oli elektronin massa, ja neutriinot oletettiin massattomiksi, joten tarkastelemalla myonin hajoamisesta peräisin olevan elektronin lentorataa ja energiaa (tai mittaamalla myonin hajoamiseen kulunutta aikaa) kävi selväksi, että myoni oli vähän sikamainen. Se painoi noin 200 kertaa elektronin massan.

Myoni ei ole suuri vaikuttaja, ja sillä on melko suppea repertuaari, joka soveltuu parhaiten ehkä hetkelliseen esiintymiseen X-factorissa. Viimeisten 75 vuoden aikana olemme havainneet sen tekevän vain kaksi asiaa: vuorovaikuttaa ja tuottaa neutriinon tai hajoaa ja tuottaa elektronin ja kaksi neutriinoa. Uskomme kuitenkin, että myoni nauraa viimeisenä, ja se on enemmän kuin kahden tempun poni. Myonilla on jotain hihassaan, joka auttaa meitä ymmärtämään fysiikkaa energiaskaaloilla, jotka ulottuvat paljon LHC:tä pidemmälle. Uskomme, että se paljastaa uudenlaisen perustavanlaatuisen vuorovaikutuksen (tuntemiemme vuorovaikutusten (sähkömagneettinen vuorovaikutus, gravitaatiovuorovaikutus sekä heikko ja vahva ydinvuorovaikutus) lisäksi), joka voi auttaa selittämään yhden fysiikan pitkäaikaisimmista ongelmista: miten suurin osa alkuräjähdyksessä syntyneestä antimateriasta hooveroitiin (tai nykyään oletettavasti dysonoitiin) maailmankaikkeuden alussa ajassa, joka kuluu teekupin keittämiseen?

Suunnitelmissamme on tuottaa ennennäkemättömän voimakasta myonisädettä tämän uudenlaisen vuorovaikutuksen havainnoimiseksi (josta kerron myöhemmin). Hieman hiljaiselon jälkeen tämä on todellakin jännittävää aikaa olla muoni, ja niiden läpäiseviä ja magneettisia ominaisuuksia hyödynnetään monissa hiukkasfysiikan ulkopuolisissa sovelluksissa. Niitä käytettiin 1960-luvulla pyramidien röntgensäteilyyn kätkettyjen kammioiden etsimiseksi, ja viimeaikaiset edistysaskeleet varattujen hiukkasten ilmaisimissa ovat avanneet mahdollisuuden käyttää kosmisen säteilyn myoneja hyvin suurten tilojen (merikonttien, rahtiajoneuvojen, juna-asemien jne.) tarkkaan kuvantamiseen pommien, halkeamiskelpoisen materiaalin tai yöllä pamahtavien asioiden havaitsemiseksi. Muoneja käytetään sellaisten uusien yhdistelmämateriaalien ominaisuuksien tutkimiseen, joista on mahdollista saada uusia puolijohteita elektroniikkateollisuudelle tai huoneenlämpötilan suprajohteita, joilla on monenlaisia sovelluksia leijuvista junista (voisi olla hankalaa The Northern Line -linjalla) häviöttömään sähkönsiirtoon. Hiljattain Yhdistyneessä kuningaskunnassa ISIS-laitoksessa tuotettua myonisädettä käytettiin havainnoimaan “magneettisuuden” ilmiöitä “spin-jäässä”, mikä on mahdollisesti ensimmäinen askel kohti elektroniikan magneettista versiota.

Pysykää siis kuulolla, myoni on hitaasti etenevä, mutta sen 15 minuutin kuuluisuus on lähellä.

{{#ticker}}

{{{topLeft}}

{{{bottomLeft}}}

{{{topRight}}

{{{bottomRight}}

{{#goalExceededMarkerPercentage}}

{{/goalExceededMarkerPercentage}}

{{/ticker}}

{{heading}}

{{#paragraphs}}

{{.}}

{{{/paragraphs}}{{highlightedText}}

{{#cta}}{{{text}}{{{/cta}}

Muistuta toukokuussa

• Jaa Facebookissa
• Jaa Twitterissä
• Jaa sähköpostitse
• Jaa LinkedInissä
• Jaa Pinterestissä
• Jaa WhatsAppissa
• Jaa Messengerissä