År 1900, strax efter att elektronen och radioaktiviteten upptäckts, gjorde Lord Kelvin en berömd anmärkning:

Det finns inget nytt att upptäcka inom fysiken. Allt som återstår är mer och mer exakta mätningar

Det skulle visa sig att han hade fruktansvärt fel. Upptäckten av kärnan och sedan dess beståndsdelar, protonen och neutronen, revolutionerade vår syn på vad världen bestod av. Vår förståelse av världen förändrades från klassisk till kvantmekanik och fram till 1933 gick kvantmekaniken från framgång till framgång när det gällde att beskriva experimentella observationer. Detta kulminerade i Dirac-ekvationen, som förutspådde existensen av antimateria, vilket kort därefter bekräftades av upptäckten av antielektronen (positronen). Fysikernas självbelåtenhet var dock kortvarig. Bakom kulisserna var allt inte bra. Kvantmekaniken hade svårt att ge en förklaring till de partiklar som regnade ner på jorden från kosmos i en hastighet av 10 000 per minut per m2. En veritabel samling av fysikens storheter försökte förstå karaktären hos dessa “kosmiska strålningspartiklar”. Eftersom de enda kända partiklarna vid den tiden var elektroner, protoner, neutroner, fotoner och (ännu inte direkt upptäckta) neutriner. Man antog att dessa kosmiska strålningspartiklar som anlände till jorden var elektroner.
Problemet med detta (felaktiga) antagande var att de “elektroner” som regnade ner på jorden tycktes komma i två varianter -1. De som lätt absorberades av blyblock och som skapade en sekundär skur av elektroner, positroner och fotoner när de interagerade med blyet och 2. De som lätt absorberades av blyblock och som skapade en sekundär skur av elektroner, positroner och fotoner när de interagerade med blyet.

Kvantmekaniken hade till en början ingen förklaring till varför elektroner skulle bete sig på något av dessa sätt, men gradvis ändrades teorin (särskilt av Bethe, Carlson, Heitler och Oppenheimer). De hittade ett sätt att beskriva typ 1 (den “elektron” som duschar i bly) men tyvärr hade de ingen sådan tur att hitta en förklaring till de genomträngande partiklarna av typ 2. De teoretiska fysikerna (som hade haft så stora framgångar fram till dess) var förtvivlade. Oppenheimer, som alltid var en kille för att lägga lite tyngd i situationen och som i allmänhet föredrog sitt glas halvtomt, skrev till sin bror 1934:

Oppenheimer: Som ni säkert vet är den teoretiska fysiken – med neutrinos spökande spöken, Köpenhamns övertygelse, mot alla bevis, att kosmisk strålning är protoner, Borns absolut okvantifierbara fältteori – en av de viktigaste frågorna inom den teoretiska fysiken, divergenssvårigheterna med positronen och den totala omöjligheten att överhuvudtaget göra en rigorös beräkning – är i ett helvete

Snabbt avfärdades idén om att de genomträngande partiklarna var protoner och fysikgemenskapen ställdes inför ett brutalt val: En ny partikel eller att acceptera att kvantmekaniken var hopplöst felaktig. Under en tid (som nu bekvämt nog förbises) undvek man frågan och började tala sotto voce om möjligheten av “röda och gröna elektroner” – den ena typen absorberas och den andra tränger igenom.

Tacksamt nog innebar den inspirerade utvecklingen av nya experimentella tekniker av grupper i Europa och USA att de experimentella observationerna av de genomträngande partiklarna blev allt mer exakta. Dessa experimentella innovationer (i kombination med nya genombrott i teorin) möjliggjorde en tolkning som ledde till den ofrånkomliga sanningen: de penetrerande partiklarna var något som liknade en elektron, men betydligt tyngre.

Den partikeln fick ursprungligen namnet “mesotron”. Som så ofta är fallet inom vetenskapen skedde inte upptäckten i ett “Eureka-ögonblick”, utan ett gradvis gryende av ett nytt paradigm genom många personers arbete, både teoretiskt och experimentellt. Anderson fick äran (eftersom han redan hade fått Nobelpriset för att ha observerat positronen var det förmodligen lättare att sälja det), men det fanns en stor grupp dramatis personae – Bethe, Heitler, Rossi, Neddermeyer, Street, Stevenson, Carlson och Oppenheimer – utan vilkas bidrag “mesotronen” inte skulle ha upptäckts. “Mesotronen” döptes snabbt om till myon, och det stod klart att myonen inte var en röd eller grön elektron, för om den bara var en tung eller en mer energirik elektron skulle den sönderfalla till en elektron och en foton, och detta observerades inte. Myonen verkade vara en egen distinkt partikel och därför var myonen (efter elektronen) den andra fundamentala partikeln (dvs. en som inte verkar bestå av andra partiklar) som upptäcktes. Upptäckten av muon var alltså inledningen till partikelfysiken som ämne.

Muoner – jag kände ingenting.

Det är flera hundra muoner som passerar genom ditt huvud varannan minut. Lyckligtvis innebär deras låga energier (och höga massa) att de är ofarliga. Muonerna härrör från kollisioner mellan kosmisk strålning (främst protoner som spottas ut av stjärnor) och atomerna i vår övre atmosfär. Efter deras upptäckt observerades att antalet av dessa muoner minskade när man kom närmare jorden och den naturliga (och korrekta) slutsatsen var att de inte var stabila partiklar som elektronen, utan lite flyktiga (och dagslända), och de sönderföll till andra mer välkända partiklar (elektroner och neutriner) på ungefär 2 miljondels sekund. Vid denna tidpunkt visste man vilken massa elektronen hade och neutriner antogs vara masslösa, så genom att titta på elektronens bana och energi från myonens sönderfall (eller genom att mäta den tid det tog för myonen att sönderfalla) blev det tydligt att myonen var lite av en fläsk. Den vägde ungefär 200 gånger elektronens massa.

Muon är ingen stor impresario och har en ganska begränsad repertoar som kanske lämpar sig bäst för ett flyktigt framträdande i X-factor. Under de senaste 75 åren har vi observerat den göra endast två saker: interagera och producera en neutrino eller sönderfalla och producera en elektron och två neutriner. Men vi tror att muonerna kommer att få det sista skrattet och att de är mer än bara två trick. Muon har något i rockärmen som kommer att hjälpa oss att förstå fysiken på energiskalor långt bortom LHC. Vi tror att den kommer att avslöja en ny typ av grundläggande växelverkan (utöver de vi känner till: elektromagnetisk växelverkan, gravitationsväxelverkan och svag och stark kärnkraftsväxelverkan) som kan bidra till att förklara ett av fysikens äldsta problem: hur kunde majoriteten av den antimateria som skapades i Big Bang hopsugas (eller förmodligen Dysoned-up nuförtiden) i universums början, på den tid som det tar att koka en kopp te?

Vi planerar att producera en myonstråle av oöverträffad intensitet för att observera denna nya typ av växelverkan (som jag kommer att beskriva i framtiden). Efter en lite slapp period är det faktiskt en spännande tid att vara muon, och deras genomträngande och magnetiska egenskaper utnyttjas för en rad tillämpningar utanför partikelfysiken. De användes på 1960-talet för att röntga pyramiderna för att leta efter dolda kammare, och de senaste framstegen inom detektorer för laddade partiklar har öppnat möjligheten att använda myoner med kosmisk strålning för att exakt avbilda mycket stora volymer (sjöcontainrar, lastfordon, tågstationer osv.) för att upptäcka bomber, klyvbart material eller saker som smäller på natten. Muoner används för att studera egenskaperna hos nya sammansatta material som har potential att ge nya halvledare för elektronikindustrin eller supraledare vid rumstemperatur med en mängd olika tillämpningar, från svävande tåg (skulle kunna vara knepigt på Northern Line) till förlustfri kraftöverföring. Nyligen användes en myonstråle som producerades vid den brittiska ISIS-anläggningen för att observera fenomenet “magnetricitet” i “spin-is”, vilket kan vara det första steget mot en magnetisk version av elektronik.

Så håll ögonen öppna, myonen är en plodder, men dess 15 minuter av berömmelse är nära förestående.

{{#ticker}}

{{topLeft}}

{{bottomLeft}}

{{topRight}}

{{bottenRight}}

{{#goalExceededMarkerPercentage}}

{{/goalExceededMarkerPercentage}}

{{/ticker}}

{{heading}}

{{#paragraphs}}

{{.}}

{{/paragraphs}}{{highlightedText}}

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

Remind me in May

• Dela på Facebook
• Dela på Twitter
• Dela via e-post
• Dela på LinkedIn
• Dela på Pinterest
• Dela på WhatsApp
• Dela på Messenger

.