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ミューオン（/ˈm(j)uː.ɒn/M(Y)OO-on 、ギリシャ文字のmu （μ）に由来）は、電子に似た素粒子で、電荷は-1e、スピンは1 / 2ħですが、質量ははるかに大きいです。レプトンに分類されます。他のレプトンと同様に、ミューオンは構成粒子から構成されているとは考えられていません。
ミューオンは平均寿命が不安定な素粒子で、2.2 μs 。ミューオンの崩壊は、他の多くの不安定粒子よりも遅い。これは、崩壊が弱い相互作用によって媒介されることと、ミューオンとその崩壊生成物の質量差が小さく、崩壊の運動学的自由度が少ないためである。ミューオンの崩壊は常に電子（または陽電子）と2種類のニュートリノを生成する。
すべての素粒子と同様に、ミューオンには反対の電荷（+1 e）を持ち、質量とスピンが等しい対応する反粒子、すなわち反ミューオン（正ミューオンとも呼ばれる）が存在する。ミューオンはμ −で表される。 およびμ +による反ミューオン以前はミューオンはミュー中間子と呼ばれていましたが、現代の素粒子物理学者によって中間子として分類されておらず（参照）、物理学界ではもはやその名前は使われていません。
ミューオンの質量は105.66 MeV / c²は206.768 2827 (46) [8 ]電子のm eの倍である。また、ミューオンの約 17 倍の重さを持つ3 番目のレプトン、タウも存在する。
ミューオンは電子よりも質量が大きいため、電磁場中での加速が遅く、制動放射（減速放射）の放出量も少なくなります。そのため、同じエネルギーを持つミューオンは、電子やミューオンの減速が主に制動放射によるエネルギー損失によるものであることから、物質の奥深くまで侵入することができます。例えば、宇宙線が大気に衝突して生成される二次ミューオンは、大気を透過して地表や地中深くまで到達することがあります。
ミューオンは放射性崩壊のエネルギーよりも質量とエネルギーが大きいため、放射性崩壊によって生成されることはありません。しかしながら、通常の物質における高エネルギー相互作用、ハドロンを用いた特定の粒子加速器実験、および宇宙線と物質との相互作用において、ミューオンは大量に生成されます。これらの相互作用では、通常、最初にパイ中間子が生成され、パイ中間子はほぼ必ずミューオンに崩壊します。
他の荷電レプトンと同様に、ミューオンにはミューオンニュートリノが関連付けられており、νで表される。μは電子ニュートリノとは異なり、さまざまな核反応に関与する。
ミューオンは、1936年にカリフォルニア工科大学でカール・D・アンダーソンとセス・ネダーマイヤーが宇宙放射線を研究中に発見しました[ 9 ] 。アンダーソンは、磁場を通過する際に電子や他の既知の粒子とは異なる曲がり方をする粒子に気づきました。それらは負に帯電していましたが、同じ速度の粒子の場合、電子よりも曲がる角度は緩やかで、陽子よりも曲がる角度は急でした。負の電荷の大きさは電子と同じであると仮定され、曲率の違いを説明するために、質量は電子よりも大きく、陽子よりも小さいと想定されました。そのため、アンダーソンは当初、この新しい粒子をメソトロンと呼び、ギリシャ語で「中間」を意味する単語から接頭辞meso-を採用しました。ミューオンの存在は、1937年にJCストリートとECスティーブンソンの霧箱実験によって確認されました[ 10 ] 。
中間子の質量範囲の粒子は、中間子が発見される前に理論家の湯川秀樹によって予測されていた。[ 11 ]
ハイゼンベルクとフェルミの理論を次のように修正するのは自然なことのように思われる。重粒子が中性子状態から陽子状態へ遷移する際、必ずしも軽粒子が放出されるとは限らない。遷移は、別の重粒子によって引き継がれる場合もある。
質量が大きいことから、ミュー中間子は当初湯川粒子と考えられており、ニールス・ボーアを含む一部の科学者は当初それをユーコンと名付けた。メソトロン（すなわちミューオン）が湯川粒子ではないという事実は、1946年にローマでマルチェロ・コンヴェルシ、オレステ・ピッチオーニ、エットーレ・パンチーニによって行われた実験によって確立された。ルイス・ウォルター・アルバレスが1968年のノーベル賞受賞講演で「現代素粒子物理学の始まり」と呼んだこの実験で[ 12 ]、彼らは宇宙線からのミューオンが原子核に捕らえられることなく崩壊することを示した。これは湯川が仮定した核力の媒介粒子に期待されていたこととは正反対であった。湯川が予言した粒子であるパイ中間子は、1947年に（これも宇宙線との相互作用から）最終的に特定された。
中間質量の粒子が2種類知られるようになったため、電子と核子の間の適切な質量範囲内の粒子を指すより一般的な用語として、メソンが採用されました。さらに、2番目のメソンが発見された後、2種類のメソンを区別するために、最初のメソトロン粒子はミューメソン（ギリシャ文字μ [ mu ]はmに対応）と改名され、1947年に発見された新しいメソン（湯川粒子）はパイメソンと名付けられました。
その後、加速器実験でより多くの種類のメソンが発見されるにつれ、ミューメソンは（ほぼ同じ質量の）パイメソンだけでなく、他のすべての種類のメソンとも大きく異なることが最終的に判明した。その違いの一つは、ミューメソンはパイメソンのように核力と相互作用しないことであった（湯川の理論では相互作用することが必須とされていた）。さらに新しいメソンも、核相互作用においてパイメソンのように振る舞うが、ミューメソンのようには振る舞わないという証拠を示した。また、ミューメソンの崩壊生成物には、他の荷電メソンの崩壊で観測されたようにニュートリノと反ニュートリノのどちらか一方だけではなく、両方が含まれていた。
1970年代に体系化された素粒子物理学の標準模型では、ミュー中間子以外のすべての中間子はハドロン、つまりクォークからなる粒子であり、核力の影響を受けると理解されていた。クォーク模型では、中間子はもはや質量によって定義されず（核子よりも重い中間子がいくつか発見されていたため）、代わりに、 3つのクォークからなる粒子として定義されるバリオン（陽子と中性子は最も軽いバリオン）とは異なり、正確に2つのクォーク（クォークと反クォーク）からなる粒子とされた。しかし、ミュー中間子は、電子のような基本粒子（レプトン）であり、クォーク構造を持たないことが明らかになった。したがって、ミュー「中間子」は、粒子構造のクォーク模型で用いられる中間子という用語の新しい意味と用法においては、中間子とは全く異なるものであった。
この定義の変更に伴い、ミュー中間子という用語は廃止され、可能な限り現代的なミューオンという用語に置き換えられたため、「ミュー中間子」という用語は歴史的な注釈に過ぎなくなった。新しいクォークモデルでは、他の種類の中間子は時折より短い用語（例えば、パイ中間子をパイオンと呼ぶなど）で呼ばれることもあったが、ミューオンの場合はより短い名称が維持され、以前の「ミュー中間子」という用語で適切に呼ばれることは二度となかった。
ミューオンが核相互作用に全く関与しない単なる「重い電子」であると最終的に認識されたことは、当時としては非常に不釣り合いで驚くべきことであったため、ノーベル賞受賞者のI.I.ラビは 「誰がそんなことを命じたんだ？」と皮肉ったことで有名である。[ 13 ]
ロッシ・ホール実験（1941年）では、ミューオンを用いて、特殊相対性理論によって予測された時間の遅れ（あるいは長さの収縮）を初めて観測した。[ 14 ]
地球表面に到達するミューオンは、宇宙線が地球大気の粒子と衝突して崩壊した生成物として間接的に生成される。[ 15 ]
地球の表面の1平方メートルあたり、1分間に約1万個の ミューオンが到達します。これらの荷電粒子は、宇宙線が上層大気の分子と衝突した際に副産物として生成されます。相対論的速度で移動するミューオンは、他の原子による吸収や偏向によって減衰する前に、岩石やその他の物質に数十メートルまで侵入することができます。[ 16 ]
宇宙線陽子が上層大気中の原子核に衝突すると、パイ中間子が生成されます。これらは比較的短い距離（メートル）でミューオン（最も優先される崩壊生成物）とミューオンニュートリノに崩壊します。これらの高エネルギー宇宙線から発生したミューオンは、一般的に元の陽子とほぼ同じ方向に、光速に近い速度で進み続けます。相対論的効果がない場合、ミューオンの半減期は最大でも約456 メートル（2.197 μs × ln(2) × 0.9997 c）（地球から見た場合）にしかなりませんが、特殊相対性理論の時間膨張効果（地球の視点から）により、宇宙線二次ミューオンは地球表面まで飛行することができます。これは、地球の座標系ではミューオンの速度により半減期が長くなるためです。一方、ミューオンの視点（慣性系）から見ると、この侵入を可能にするのは特殊相対性理論による長さ収縮効果である。ミューオンの系ではその寿命は変化しないが、長さ収縮によって大気や地球を通過する距離は、地球の静止系における距離よりもはるかに短くなる。どちらの効果も、高速ミューオンが長距離にわたって異常な生存能力を示す理由として、等しく有効である。
ミューオンはニュートリノと同様に通常の物質を非常に透過しやすいため、地下深く（スーダン2 検出器では700m ）や水中でも検出可能であり、そこでは自然背景電離放射線の主要部分を占めている。前述のように、宇宙線と同様に、この二次ミューオン放射線も方向性を持つ。
上記で説明したのと同じ核反応（すなわち、ハドロン同士の衝突によってパイ中間子ビームが生成され、それが短距離で急速にミューオンビームに崩壊する）は、素粒子物理学者がミューオンビームを生成するために使用されており、ミューオンg -2実験で使用されるビームなどがこれにあたる。[ 17 ]
ミューオンは不安定な素粒子であり、電子やニュートリノよりも質量が大きい。ミューオンはすべてのハドロンよりも質量が小さいため、その崩壊ではハドロンは生成されない。ミューオンは弱い相互作用によって崩壊する。極めて起こりにくい即時ニュートリノ振動がない限り、レプトン族の数は保存されるため、ミューオン崩壊によって生成されるニュートリノのうち1つはミューオン型ニュートリノであり、もう1つは電子型反ニュートリノでなければならない（反ミューオン崩壊では対応する反粒子が生成される。詳細は後述）。
電荷は保存されなければならないため、ミューオン崩壊の生成物の一つは必ずミューオンと同じ電荷を持つ電子（正電荷のミューオンの場合は陽電子）である。したがって、すべてのミューオンは少なくとも電子1個とニュートリノ2個に崩壊する。これらの必須生成物に加えて、正味電荷がなくスピンがゼロである他の粒子（例えば、光子対、または電子・陽電子対）が生成される場合もある。
（正の）ミューオンの平均寿命τ = ħ / Γは2.196 9811 ± 0.000 0022 μs 。[ 4 ]ミューオンと反ミューオンの寿命の等しさは、10⁴分の1よりも高い精度で確立されている。[ 18 ]
ミューオンの崩壊モードの中で最も支配的なもの（ルイ・ミシェルにちなんでミシェル崩壊と呼ばれることもある）は、最も単純なもので、ミューオンは電子、電子反ニュートリノ、ミューオンニュートリノに崩壊する。反ミューオンは、鏡像のように、多くの場合、対応する反粒子、すなわち陽電子、電子ニュートリノ、ミューオン反ニュートリノに崩壊する。数式で表すと、これら2つの崩壊は次のようになる。
特定のニュートリノを伴わない崩壊モードは運動学的には許容されるが、ニュートリノが質量を持ち振動するという前提があっても、実際には標準模型では禁じられている。レプトンフレーバー保存則によって禁じられている例は以下のとおりである。
そして
ニュートリノ質量を考慮すると、 μ −のような崩壊→ e −+ γ崩壊は標準模型では技術的には可能である（例えば、仮想ミューニュートリノが電子ニュートリノにニュートリノ振動するなど）が、このような崩壊は極めて起こりにくく、したがって実験的に観測されることはないはずである。ミューオン崩壊のうち、このような崩壊を起こすのは10⁵⁰回に1回未満であると考えられる。
このような崩壊モードの観測は、標準模型を超える理論の明確な証拠となるだろう。このような崩壊モードの分岐比の上限は、60年以上前から多くの実験で測定されてきた。μ +の現在の上限は→ e ++ γ分岐率は2009～2013年にMEG実験で測定され、4.2 × 10 −13 . [ 20 ]
フェルミの黄金律から導かれるミューオン崩壊幅はエネルギーの次元を持ち、振幅の二乗に比例し、したがってフェルミの結合定数の二乗に比例する（）、全体の次元はエネルギーの4乗の逆数である。次元解析により、これはmμの5乗依存性に関するサージェントの法則につながる[ 21 ] [ 22 ] 。 どこ[ 22 ]およびこれは、電子に伝達される最大エネルギーの割合です。
ミューオン崩壊における電子の崩壊分布は、いわゆるミシェルパラメータを用いてパラメータ化されている。これら4つのパラメータの値は、素粒子物理学の標準模型において明確に予測されるため、ミューオン崩壊は弱い相互作用の時空構造を検証する上で有効な手段となる。これまでのところ、標準模型の予測からの逸脱は確認されていない。
ミューオンの崩壊について、ミシェルパラメータの標準模型値に対する期待される崩壊分布は次のとおりである。 どこはミューオンの偏極ベクトル間の角度ですそして崩壊電子の運動量ベクトル、は前方偏極したミューオンの割合である。この式を電子エネルギーで積分すると、娘電子の角度分布が得られる。 極角にわたって積分された電子エネルギー分布（） は
電子が放出される方向（極性ベクトル）はミューオンのスピン（軸性ベクトル）と反対方向に優先的に整列するため、この崩壊は弱い相互作用によるパリティ非保存の一例となる。これは基本的に、最初の実証実験で使用された実験的特徴と同じである。より一般的には、標準模型では、すべての荷電レプトンが弱い相互作用を介して崩壊し、同様にパリティ対称性を破る。
ミューオンは、通常の原子には存在しない、最初に発見された素粒子である。
負のミューオンは、通常の原子の電子を置き換えることで、ミューオン原子（以前はミューメシック原子と呼ばれていた）を形成することができます。ミューオン水素原子は、通常の水素原子よりもはるかに小さいです。これは、ミューオンの質量がはるかに大きいため、基底状態の波動関数が電子の場合よりもはるかに局在化しているためです。多電子原子において、電子のうち1つだけがミューオンに置き換えられた場合、原子の大きさは他の電子によって決定され続け、原子の大きさはほとんど変化しません。しかしながら、このような場合でも、ミューオンの軌道は電子の原子軌道よりも小さく、原子核に非常に近い位置にあります。
ミューオン水素の分光測定は、陽子半径の正確な推定値を得るために使用されてきた。[ 23 ]これらの測定結果は、当時受け入れられていた値から乖離し、いわゆる陽子半径の謎を生じさせた。後に、電子水素における陽子半径の新しい改良された測定が可能になったことで、この謎は解決された。[ 24 ]
ミューオンヘリウムは、ヘリウム4の電子の1つをミューオンに置き換えることによって生成されます。ミューオンは原子核に非常に近い軌道を回るため、ミューオンヘリウムは、原子核が2つの中性子、2つの陽子、および1つのミューオンからなり、外側に1つの電子を持つヘリウムの同位体とみなすことができます。化学的には、ミューオンヘリウムは不対価電子を持つため、他の原子と結合することができ、不活性ヘリウム原子よりも水素原子のように振る舞います。[ 25 ] [ 26 ] [ 27 ]
負のミューオンを持つ重水素原子は、ミューオン触媒核融合と呼ばれる過程で核融合を起こす可能性があり、その後、ミューオンは新しい原子から離れて別の水素分子の核融合を誘発する。この過程は、負のミューオンがヘリウム原子核に捕らえられ、崩壊するまでそこに留まるまで続く。
通常の原子に束縛された負のミューオンは、原子核内の陽子によって弱い力で捕獲される（ミューオン捕獲） 。これは、電子捕獲に似た過程である。このとき、核変換が起こり、陽子は中性子に変化し、ミューニュートリノが放出される。
正のミューオンは、通常の物質中で停止すると、2つの正電荷が反発し合うため、陽子に捕獲されることはありません。また、正のミューオンは原子核にも引き寄せられません。その代わりに、ランダムな電子と結合し、この電子と共にミューオニウム（ミュー）原子と呼ばれる特殊な原子を形成します。この原子では、ミューオンが原子核の役割を果たします。この文脈において、正のミューオンは、陽子の質量の9分の1を持つ水素の擬似同位体と考えることができます。電子の質量は陽子とミューオンの質量よりもはるかに小さいため、ミューオニウムの換算質量、ひいてはそのボーア半径は水素のそれと非常に近くなります。したがって、この結合したミューオンと電子のペアは、第一近似として、水素の同位体（プロチウム、重水素、三重水素）のように化学的に振る舞う短寿命の「原子」として扱うことができます。
正負両方のミューオンは、ミューオンと反対の電荷を持つパイ中間子からなる短寿命のパイ-ミュー原子の一部になり得る。これらの原子は、1970年代にブルックヘブン国立研究所とフェルミラボでの実験で観測された。[ 28 ] [ 29 ] 1つの正と1つの負のミューオンからなる束縛状態である真のミューオニウムは理論的には可能であるが、これまでのところ観測されていない。
異常磁気双極子モーメントは、実験的に観測された磁気双極子モーメントの値と、ディラック方程式によって予測される理論値との差である。この値の測定と予測は、QEDの精密検証において非常に重要である。ブルックヘブン国立研究所のE821実験[ 30 ]とフェルミ国立加速器研究所のMuon g-2実験では、ミューオンが閉じ込められた蓄積リング内を循環する際の、一定の外部磁場におけるミューオンスピンの歳差運動を研究した。Muon g -2コラボレーションは2021年に[ 31 ]を報告した。
ミューオンの異常磁気モーメントの値の予測は、以下の3つの部分から構成される。
ミューオンと電子のg因子の差は、それらの質量の差によるものです。ミューオンの質量が大きいため、標準模型の弱い相互作用やハドロンが関与する寄与による異常磁気双極子モーメントの理論計算への寄与は、現在の精度レベルでは重要ですが、これらの効果は電子には重要ではありません。ミューオンの異常磁気双極子モーメントは、超対称性などの標準模型を超える新しい物理からの寄与にも敏感です。このため、ミューオンの異常磁気モーメントは通常、 QEDのテストとしてではなく、標準模型を超える新しい物理のプローブとして使用されます。[ 32 ]フェルミラボで E821 磁石を使用して行われた新しい実験Muon g −2は、この測定の精度を向上させました。[ 33 ]
2020年に170人の物理学者からなる国際チームが、ミューオンの異常磁気モーメントの理論値について最も正確な予測値を計算した。[ 34 ] [ 35 ]
ミューオンg-2は、フェルミラボで行われている素粒子物理学実験で、ミューオンの異常磁気双極子モーメントを0.14 ppmの精度で測定するものであり、[ 36 ] [ 37 ]これは標準模型の高感度な検証である。[ 38 ]また、全く新しい粒子の存在の証拠を提供する可能性もある。[ 39 ]
2021年、ミューオンg -2実験は、実験と理論の差を4.2標準偏差に拡大する新しい実験平均の最初の結果を発表した。[ 40 ]
ミューオンの電気双極子モーメントの現在の実験的限界、| dμ | <ブルックヘブン国立研究所のE821実験で得られた1.9 × 10⁻¹⁹ e・cmという値は、標準模型の 予測値を桁違いに上回っている。ミューオンの電気双極子モーメントがゼロでないことが観測されれば、CP対称性の破れの新たな原因となるだろう。フェルミ国立加速器研究所での実験では、ブルックヘブン限界を2桁上回る感度向上が期待されている。
フェルミラボのミューオンg-2実験では、全データセットを使用することで感度を約10^-20まで拡張することが期待されている。[ 41 ]
ミューオンはX線やガンマ線よりもはるかに深く透過するため、ミューオンイメージングはより厚い物質、あるいは宇宙線源を用いた場合はより大きな物体にも使用できます。一例として、遮蔽された核物質や爆発物、その他の密輸品を検出するために貨物コンテナ全体を画像化する商用ミューオン断層撮影があります。 [ 42 ]
宇宙線源に基づくミューオン透過ラジオグラフィーの技術は、1950年代にオーストラリアのトンネルの覆土の深さを測定するために初めて使用され[ 43 ] 、1960年代にはギザのケフラー王のピラミッドに隠された可能性のある部屋を探すために使用されました[ 44 ]。2017年には、宇宙線ミューオンの観測により、大きな空洞（長さは最低30メートル）が発見されたことが報告されました[ 45 ] 。
2003年、ロスアラモス国立研究所の科学者たちは、ミューオン散乱トモグラフィーという新しいイメージング技術を開発しました。ミューオン散乱トモグラフィーでは、密閉されたアルミニウムドリフトチューブなどを用いて、各粒子の入射軌道と出射軌道の両方を再構成します。[ 46 ]この技術の開発以来、いくつかの企業がこの技術の使用を開始しています。
2014年8月、Decision Sciences International Corporationは、福島第一原子力発電所の再生に同社のミューオン追跡検出器を使用する 契約を東芝から受注したと発表した。[ 47 ]福島第一トラッカーは、数ヶ月間ミューオン測定を行い、原子炉炉心の分布を示すことを提案した。2014年12月、東京電力は、福島で2つの異なるミューオンイメージング技術を使用すると発表した。1号機（最も損傷がひどく、燃料が原子炉容器から漏れた可能性がある）では「ミューオンスキャン法」、2号機では「ミューオン散乱法」である。 [ 48 ]日本の国際原子力廃止措置研究所IRIDと高エネルギー加速器研究機構KEKは、 1号機用に開発した方法を「ミューオン透過法」と呼んでいる。波長変換用の1200本の光ファイバーは、ミューオンが接触すると光る。[ 49 ] 1か月のデータ収集の後、原子炉内に残っている燃料残渣の位置と量が明らかになることが期待されている。測定は2015年2月に開始された。[ 50 ]
![{\displaystyle {\frac {\partial ^{2}\Gamma }{\partial x\,\partial {\cos \theta }}}\sim x^{2}[(3-2x)+P_{\mu }\cos \theta \,(1-2x)],}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/801edbe28ec7615e4d3def61bf2f725532a8b68a)
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ウィキメディア・コモンズにあるミューオン関連のメディア異常磁気モーメント
正ミューオン寿命の測定
ミューオン→陽電子＋ガンマ崩壊の探索。