Dlaczego nieoczekiwany mion był największą niespodzianką w historii fizyki cząstek
Nauka nigdy nie była taka sama po spotkaniu "cząstki, która żyła".

Na początku lat 30., było tylko kilka znanych podstawowych cząstek, które składały się na Wszechświat. Jeśli podzieliliśmy materię i promieniowanie, które zaobserwowaliśmy i z którymi wchodziliśmy w interakcje z najmniejszymi możliwymi komponentami, na które moglibyśmy je rozbić w tym czasie, istniały tylko dodatnio naładowane jądra atomowe (w tym proton), elektrony, które je okrążyły, i foton. To stanowiło znane elementy, ale było kilka anomalii, które nie do końca się ustawiały.
Cięższe pierwiastki również miały więcej ładunku, ale argon i potas były wyjątkiem: argon miał tylko ładunek +18 jednostek, ale masę ~40 jednostek masy atomowej, podczas gdy potas miał ładunek +19 jednostek, ale masę ~39 jednostek. W 1932 roku zajęło się tym odkryciem neutronu. Niektóre rodzaje rozpadu radioaktywnego - rozpady beta - wydawały się nie oszczędzać energii i pędu, co doprowadziło do hipotezy Pauliego z 1930 roku o neutrinie, które nie zostałyby odkryte przez kolejne 26 lat. Równanie Diraca przewidywało stany energii ujemnej, które odpowiadały odpowiednikom antymaterii dla cząstek takich jak elektron: pozyton.
Mimo to, nic nie mogło przygotować fizyków do odkrycia mionu: niestabilnej cząstki z tym samym ładunkiem, ale setki razy masy, elektronu. Oto jak to zaskoczenie naprawdę włączyć fizyki na głowie.
Ładunek elektryczny na elektroskopie, w zależności od tego, co go ładujesz i jak reagują metalowe liście folii wewnątrz. Jeśli liście pozostaną naładowane, dwa liście folii odeprzeć. Jeśli liście są nienaładowane, po prostu spadną. Niezwykłe jest to, że elektrooskopy, nawet jeśli są umieszczone w próżni, będą rozładowywać się w czasie. Powód, dla którego nie było oczywiste, ale jest ze względu na promienie kosmiczne. (BOOMERIA WYRÓŻNIENIEM FIZYKI STRONY)
Historia zaczyna się w 1912 roku, kiedy przygód fizyk Victor Hess miał genialny pomysł, aby zabrać ze sobą detektor cząstek na lot balonem na gorące powietrze. Można się zastanawiać, jaka byłaby motywacja do tego, i to pochodzi z mało prawdopodobnego źródła: elektroskopu (powyżej). Elektroskop to tylko dwa cienkie kawałki przewodzenia, metalowa folia, połączona z przewodnikiem i uszczelniona wewnątrz próżni bezpowietrznej. Jeśli naładujesz elektrozakres, dodatni lub ujemny, podobnie naładowane kawałki folii odpychają się nawzajem, podczas gdy jeśli go uziemisz, stanie się neutralny i wróci do pozycji nienaładowanej.
Ale tutaj było dziwne: jeśli zostawiłeś elektroskop sam, nawet w dość doskonałej próżni, nadal rozładowywał się w czasie. Bez względu na to, jak dobrze wykonałeś próżnię - nawet jeśli umieściłeś wokół niej osłonę ołowiu - elektrooskop nadal się rozładowywał. Co więcej, jeśli przeprowadziłeś ten eksperyment na wyższych i wyższych wysokościach, rozładował się szybciej. To właśnie tam Hess wpadł na swój wielki pomysł, wyobrażając sobie, że promieniowanie wysokoenergetyczne, zarówno o dużej mocy przenikliwej, jak i pozaziemskim, było winowajcą.


Zabierając balon na ogrzane powietrze na duże wysokości, znacznie wyższe niż można by osiągnąć po prostu spacerując, spacerując lub jeżdżąc w dowolne miejsce, naukowiec Victor Hess był w stanie użyć detektora, aby zademonstrować istnienie i ujawnić składniki promieniowania kosmicznego. Pod wieloma względami te wczesne ekspedycje, datowane na rok 1912, oznaczały narodziny astrofizyki promieniowania kosmicznego. (AMERYKAŃSKIE TOWARZYSTWO FIZYCZNE)
Jeśli przez ziemską atmosferę przemieszczają się naładowane cząstki kosmiczne, mogą one z czasem pomóc zneutralizować ten ładunek, ponieważ przeciwnie naładowane cząstki byłyby przyciągane do elektrody, a podobne ładunki byłyby przez nią odpychane. Hess wyobrażał sobie, że istnieje bardzo realne „zoo” cząstek przemykających w przestrzeni kosmicznej i że im bliżej krawędzi ziemskiej atmosfery (tj. na wyższe wysokości wszedł), tym większe prawdopodobieństwo, że będzie obserwował te cząstki bezpośrednio.
Hess skonstruował komorę detekcyjną, która zawierała pole magnetyczne, tak aby wszelkie naładowane cząstki zakrzywiały się w jej obecności. Na podstawie kierunku i krzywizny dowolnych śladów cząstek, które pojawiły się w detektorze, mógł zrekonstruować prędkość cząstki, a także jej stosunek ładunku do masy. Najwcześniejsze wysiłki Hessa natychmiast się opłaciły, gdy zaczął odkrywać cząstki w wielkiej obfitości, tworząc w ten sposób naukę o astrofizyce promieniowania kosmicznego.
Ustalono, że pierwszy wykryty mion, wraz z innymi cząstkami promieniowania kosmicznego, ma taki sam ładunek jak elektron, ale jest setki razy cięższy ze względu na prędkość i promień krzywizny. Mion był pierwszą z cięższych generacji cząstek, które zostały odkryte, sięgającą lat 30. XX wieku. (PAUL KUNZE, W Z. PHYS. 83 (1933))
W tych wczesnych promieniach kosmicznych zaobserwowano wiele protonów i elektronów, a później w ten sposób odkryto również pierwsze cząstki antymaterii. Ale wielka niespodzianka przyszła w 1933 roku, kiedy Paul Kunze pracował z promieniami kosmicznymi i znalazł cząstkę, która nie do końca pasowała. Miał taki sam ładunek jak elektron, ale jednocześnie był zbyt ciężki, aby być elektronem, a jednocześnie był zbyt lekki, aby być antyprotonem. Wyglądało to tak, jakby pojawił się nowy rodzaj naładowanej cząstki o masie pośredniej między innymi znanymi cząstkami, która nagle oznajmiła: „Hej, niespodzianka, ja istnieję!”
Im wyżej szliśmy, tym więcej promieni kosmicznych zaobserwowaliśmy. Na najwyższych wysokościach przytłaczającą większość promieni kosmicznych stanowiły neutrony, elektrony i protony, podczas gdy tylko niewielka część z nich to miony. Jednak w miarę jak detektory stawały się coraz bardziej czułe, zaczęły być w stanie wykrywać te promienie kosmiczne na niższych wysokościach, nawet bliżej poziomu morza. Dziś za około 100 dolarów i przy użyciu gotowych materiałów można zbudować własną komorę chmurową i wykrywać w domu miony promieniowania kosmicznego — najliczniejszą cząstkę promieniowania kosmicznego na poziomie morza.
Ścieżka w kształcie litery V w centrum obrazu powstaje w wyniku rozpadu mionu na elektron i dwa neutrina. Wysokoenergetyczny tor z załamaniem jest dowodem rozpadu cząstek w powietrzu. Poprzez zderzenia pozytonów i elektronów o określonej, przestrajalnej energii, pary mion-antymion mogą być produkowane do woli. Energia niezbędna do wytworzenia pary mion/antymion z wysokoenergetycznych pozytonów zderzających się z elektronami w spoczynku jest prawie identyczna jak energia z zderzeń elektron/pozyton niezbędna do wytworzenia bozonu Z. (SZKOCKI ROAD SHOW NAUKI I TECHNOLOGII)
W ciągu następnych kilku lat naukowcy ciężko pracowali nad wykryciem tych mionów nie podczas eksperymentów na dużych wysokościach, ale w celu obserwacji ich w laboratorium naziemnym. Teoretycznie były one wytwarzane przez to, co nazywamy deszczem promieni kosmicznych: gdzie cząstki z kosmosu uderzają w górną warstwę atmosfery. Kiedy tak się dzieje, oddziaływania szybko poruszających się cząstek kosmicznych, które uderzają w stacjonarne cząstki atmosferyczne, wytwarzają wiele nowych cząstek i antycząstek, z których najczęstszym produktem jest krótkotrwała, niestabilna cząstka znana jako pion.
Naładowane piony żyją tylko przez nanosekundy, rozpadając się między innymi na miony. Te miony również żyją krótko, ale znacznie dłużej niż pion. Ze średnim czasem życia 2,2 mikrosekundy są najdłużej żyjącą niestabilną cząstką, z wyjątkiem neutronu, którego średni czas życia wynosi około 15 minut! Teoretycznie nie tylko te deszcze kosmiczne powinny je wytwarzać, ale każde zderzenie cząstek, które miały wystarczającą energię do wytworzenia pionów, powinno również dać miony, które moglibyśmy badać w laboratorium. Mion w naszych detektorach wygląda tak samo jak elektrony, z wyjątkiem tego, że ma masę 206 razy większą od masy elektronu.
Deszcz promieni kosmicznych i niektóre z możliwych interakcji. Zauważ, że jeśli naładowany pion (po lewej) uderzy w jądro przed rozpadem, wytwarza deszcz, ale jeśli rozpadnie się jako pierwszy (po prawej), wytwarza mion, który będzie miał szansę dotarcia do powierzchni. Wiele cząstek „córek” wytwarzanych przez promieniowanie kosmiczne zawiera neutrony, które mogą przekształcać azot-14 w węgiel-14. (KONRAD BERNLÖHR Z INSTYTUTU MAX-PLANCK W HEIDELBERGU)
W 1936, Carl Anderson i Seth Neddermeyer byli w stanie wyraźnie zidentyfikować populacje zarówno ujemnie, jak i dodatnio naładowanych mionów z promieniowania kosmicznego, co wskazuje na istnienie mionów i antymionów, tak jak w przyrodzie znajdowały się elektrony i antyelektrony (pozytony). . W następnym roku, 1937, zespół naukowców z J.C. Street i E.C. Stevenson niezależnie potwierdził to odkrycie w komorze mgłowej. Miony były nie tylko prawdziwe, ale stosunkowo powszechne.
W rzeczywistości, jeśli wyciągniesz rękę i skierujesz ją tak, aby była zwrócona w górę, w kierunku nieba, około jeden mion (lub antymion) przejdzie przez twoją rękę z każdą upływającą sekundą. Na poziomie morza 90% wszystkich cząstek promieniowania kosmicznego docierających do powierzchni Ziemi to miony, a większość stanowią neutrony i elektrony. Zanim jeszcze odkryliśmy mezony, które są złożonymi kombinacjami kwark-antykwark, egzotyczne, ciężkie, niestabilne bariony (będące kombinacjami trzech kwarków, jak protony i neutrony) lub kwarki leżące u podstaw materii, odkryliśmy mion: ciężki , niestabilny kuzyn elektronu.
Przewiduje się, że cząstki i antycząstki Modelu Standardowego istnieją jako konsekwencja praw fizyki. Chociaż przedstawiamy kwarki, antykwarki i gluony jako posiadające kolory lub antykolory, jest to tylko analogia. Faktyczna nauka jest jeszcze bardziej fascynująca. Zwróć uwagę, że cząstki pojawiają się w trzech generacjach lub kopiach, przy czym tylko pierwsza generacja daje początek stabilnym cząsteczkom. (E. SIEGEL / POZA GALAKTYKĄ)
Gdy tylko fizyk I. I. Rabi, który sam zdobyłby Nagrodę Nobla za odkrycie magnetycznego rezonansu jądrowego (dziś powszechnie stosowanego w technologii MRI), dowiedział się o mionie, zażartował w słynnym żargonie: „kto to zamówił?” Przy tak niewielu znanych wówczas cząstkach, dodanie tego dziwnego kuzyna elektronu – ciężkiego, niestabilnego i krótkożyjącego – wydawało się zjawiskiem natury, które wymykało się wyjaśnieniom.
Dziesiątki lat dzieliły nas od odkrycia natury materii i struktury Modelu Standardowego, ale mion był naszą pierwszą wskazówką, że istnieje nie tylko więcej cząstek czekających na odkrycie, ale że cząstki pojawiły się w wielu pokoleniach. Pierwsza generacja cząstek to cząstki stabilne, składające się z kwarków górnego i dolnego, elektronu i neutrina elektronowego oraz ich odpowiedników z antymaterii. Dziś znamy jeszcze dwie generacje: drugą generację, która ma kwarki powabne i dziwne z mionami i neutrinami mionowymi, oraz trzecią generację, która ma górne i dolne kwarki z cząsteczkami neutrin tau i tau oraz ich analogiczne odpowiedniki z antymaterii .
Przy wystarczająco wysokich energiach i prędkościach względność staje się istotna, pozwalając przetrwać o wiele więcej mionów niż bez efektu dylatacji czasu. W obecnej postaci około 25% mionów powstałych w górnej atmosferze dociera do Ziemi. Bez teorii względności ta liczba byłaby czymś w rodzaju 1 na 1⁰²⁰. (FRISCH/SMITH, AM J. OF PHYS. 31 (5): 342-355 (1963) / WIKIMEDIA COMMONS UŻYTKOWNIK D.H)
Mion jednak nie tylko zapowiadał wszystkie te nowe odkrycia, ale także dał ekscytującą i sprzeczną z intuicją demonstrację względności Einsteina. Miony, które powstają w wyniku zderzeń promieniowania kosmicznego, pochodzą średnio na wysokości 100 kilometrów. Jednak średni czas życia mionu wynosi tylko 2,2 mikrosekundy. Jeśli mion poruszał się bardzo blisko prędkości światła przy 300 000 km/s, można trochę policzyć, mnożąc tę prędkość przez czas życia mionu, aby stwierdzić, że powinien przebyć około 660 metrów przed rozpadem.
Ale miony docierają do powierzchni Ziemi, pokonując 100 kilometrów i wciąż nie ulegając rozkładowi! Jak to jest możliwe? Bez teorii względności nie byłoby. Jednak teoria względności niesie ze sobą zjawisko dylatacji czasu, dzięki czemu cząstki poruszające się z prędkością bliską prędkości światła doświadczają wolniejszego upływu czasu niż w przypadku obserwatorów w spoczynku. Bez dylatacji czasu nigdy byśmy nie odkryli tych kosmicznych mionów i nie bylibyśmy w stanie zobaczyć ich w naszych ziemskich komorach chmurowych, chyba że stworzyliśmy je z akceleratorów cząstek. Einstein, mimo że o tym nie wiedział, pomógł nam odkryć tę fundamentalnie nową formę materii.
Wcześniejszy plan projektowy (obecnie nieistniejący) pełnowymiarowego zderzacza mionowo-antymionowego w Fermilab, źródło drugiego najpotężniejszego akceleratora cząstek na świecie za LHC w CERN. Miony mogą osiągać energie porównywalne z protonami, ale z czystymi sygnałami zderzenia i całą energią skoncentrowaną w jednym punkcie, jak elektrony. To naprawdę może być najlepsze z obu światów. (FERMILAB)
Patrząc w przyszłość, możliwość kontrolowania i manipulowania tymi mionami może doprowadzić do postępów w eksperymentalnej fizyce cząstek elementarnych, z którymi nie może się równać żaden inny typ zderzacza. Kiedy budujesz akcelerator cząstek, istnieją tylko trzy czynniki, które określają, jak energetyczne są twoje zderzenia:
jak duży jest twój pierścionek, z większymi obwodami osiągającymi wyższe energie,
jak silne są twoje pola magnetyczne zginaj naładowane cząstki, a silniejsze magnesy prowadzą do wyższych energii,
i stosunek ładunku do masy twojej cząstki, przy niskich masach prowadzących do promieniowania synchrotronowego i ograniczonej energii, a duże masy nie mają tego problemu.
Ten trzeci czynnik jest powodem, dla którego używamy protonów zamiast elektronów w akceleratorach, takich jak Wielki Zderzacz Hadronów w CERN, ale jest to wada: protony są cząstkami złożonymi i tylko niewielka część ich całkowitej energii nawija się w kwarku lub gluonie, który zderza się z inne. Ale mion nie ma tej wady, a także nie jest ograniczony przez promieniowanie synchrotronowe, tak jak elektrony, ze względu na znacznie większą masę. Jeśli opanujemy akceleratory mionowe, być może otworzymy kolejną granicę w eksperymentalnej fizyce cząstek.
Elektromagnes Muon g-2 w Fermilab, gotowy do odbioru wiązki cząstek mionowych. Eksperyment ten rozpoczął się w 2017 roku i miał zbierać dane przez łącznie 3 lata, znacznie zmniejszając niepewność. Chociaż można osiągnąć w sumie istotność 5 sigma, obliczenia teoretyczne muszą uwzględniać każdy możliwy efekt i oddziaływanie materii, aby zapewnić, że mierzymy solidną różnicę między teorią a eksperymentem w dipolowym momencie magnetycznym mionu. (REIDAR HAHN / FERMILAB)


Dziś możemy spojrzeć wstecz na odkrycie mionu jako osobliwego, z naszymi balonami na gorące powietrze i prymitywnymi detektorami odsłaniającymi te wyjątkowo wygięte ślady cząstek. Ale sam mion nadal stanowi dziedzictwo odkryć naukowych. Od jego mocy w ilustrowaniu wpływu dylatacji czasu na obserwowaną żywotność cząstki do jej potencjału, aby doprowadzić do zasadniczo nowego, doskonałego typu akceleratora cząstek, mion jest czymś więcej niż tylko hałasem tła w niektórych z naszych najbardziej wrażliwych, podziemnych eksperymentów poszukujących najrzadszych interakcji cząstek wszystkich. Nawet dzisiaj eksperyment mający na celu zmierzenie magnetycznego momentu dipolowego mionu może być kluczem, który w końcu zabierze nas do zrozumienia fizyki poza modelem standardowym.
Mimo to, kiedy niespodziewanie ogłosił swoje istnienie w 1930 roku, to było naprawdę zaskoczeniem. Przez całą historię wcześniej nikt nie wyobrażał sobie, że natura zrobi wiele kopii podstawowych cząstek, które leżą u podstaw naszej rzeczywistości, i że wszystkie te cząstki będą niestabilne przed rozpadem. Mion jest pierwszym, najlżejszym i najdłużej żyjącym z tych wszystkich cząstek. Kiedy myślisz o mionie, zapamiętaj go jako pierwszą cząstkę "generacji 2", jaką kiedykolwiek odkryto, i pierwszą wskazówkę, jaką kiedykolwiek dostaliśmy na temat prawdziwej natury modelu standardowego.
Zaczyna się od huku jest napisany przez Ethan Siegel,Ph.D., autor Beyond The Galaxyi Treknology: The Science of Star Trek z Tricorders do Warp Drive.









Why the unexpected muon was the biggest surprise in the history of particle physics
Learning has never been the same after meeting the "particle that lived".

In the early 1930s, there were only a few known basic particles that made up the universe. If we split the matter and radiation that we observed and interacted with with the smallest possible components into which we could break them down at that time, there were only positively charged atomic nuclei (including a proton), the electrons that circled them, and a photon. These were familiar elements, but there were a few anomalies that didn't quite align.
The heavier elements also had more charge, but argon and potassium were the exception: argon only had a charge of +18 units but a mass of ~ 40 atomic mass units, while potassium had a charge of +19 units but a mass of ~ 39 units. In 1932, they dealt with this discovery of the neutron. Certain types of radioactive decay - beta decays - did not seem to save energy and momentum, leading to the 1930 Pauli neutrino hypothesis that would not have been discovered for another 26 years. The Dirac equation predicted negative energy states that corresponded to the antimatter counterparts for particles such as the electron: positron.
Still, nothing could have prepared physicists to discover a muon: an unstable particle with the same charge but hundreds of times the mass of an electron. Here's how that surprise really turn physics on your head.
Electric charge on the electroscope, depending on what you charge it and how the metal leaves of the foil inside react. If the leaves remain charged, repel the two leaves of the foil. If the leaves are uncharged, they will simply fall off. It is remarkable that the electro scopes, even if placed in a vacuum, will discharge over time. The reason it wasn't obvious but is because of the cosmic rays. (BOOMERIA HIGHLIGHTS PHYSICS OF THE PAGE)
The story begins in 1912, when the adventurous physicist Victor Hess had the brilliant idea to take a particle detector with him on a hot air balloon flight. You might wonder what the motivation for this would be, and that comes from an unlikely source: the electroscope (above). The electroscope is just two thin pieces of conduction, a metal foil, bonded to a conductor and sealed inside an airless vacuum. If you charge the electromagnetic range, positive or negative, the similarly charged pieces of foil repel each other, while if you ground it, it becomes neutral and returns to the uncharged position.
But here it was weird: if you left the electroscope alone, even in a fairly perfect vacuum, it still discharged over time. No matter how well you vacuumed - even if you placed a lead shield around it - the electrooscope continued to discharge. Moreover, if you ran this experiment at higher and higher altitudes, it discharged faster. It was there that Hess had his big idea, imagining that high-energy radiation, both high penetrating power and extraterrestrial, was the culprit.




By taking a hot air balloon up to high altitudes, far higher than could be achieved by simply walking, hiking, or driving to any location, scientist Victor Hess was able to use a detector to demonstrate the existence and reveal the components of cosmic rays. In many ways, these early expeditions, dating back to 1912, marked the birth of cosmic ray astrophysics. (AMERICAN PHYSICAL SOCIETY)
If there are charged cosmic particles zipping through Earth’s atmosphere, they could help neutralize this charge over time, as the oppositely-charged particles would be attracted to the electrode and the like-charges would be repelled by it. Hess imagined that there was a very real “zoo” of particles zipping around through space, and that the closer he got to the edge of Earth’s atmosphere (i.e., the higher altitudes he went to), the more likely he’d be to observe these particles directly.
Hess constructed a detection chamber that contained a magnetic field, so that any charged particles would curve in its presence. Based on the direction and curvature of any particle tracks that appeared in the detector, he could reconstruct what the velocity of the particle was as well as its charge-to-mass ratio. Hess’s earliest efforts immediately paid off, as he began discovering particles in great abundance, founding the science of cosmic ray astrophysics in the process.
The first muon ever detected, along with other cosmic ray particles, was determined to be the same charge as the electron, but hundreds of times heavier, due to its speed and radius of curvature. The muon was the first of the heavier generations of particles to be discovered, dating all the way back to the 1930s. (PAUL KUNZE, IN Z. PHYS. 83 (1933))
Many protons and electrons were seen in these early cosmic rays, and later on, the first antimatter particles were discovered this way as well. But the big surprise came in 1933, when Paul Kunze was working with cosmic rays and found a particle that didn’t quite fit. It had the same charge as an electron, but was simultaneously far too heavy to be an electron while also being far too light to be an antiproton. It was as though there was some new type of charged particle, of an intermediate mass between the other known particles, that suddenly announced, “hey, surprise, I exist!”
The higher in altitude we went, the more cosmic rays we observed. At the highest altitudes, the overwhelming majority of cosmic rays were neutrons and electrons and protons, while only a small fraction of them were muons. However, as detectors got more and more sensitive, they started to be able to detect these cosmic rays at lower altitudes, even closer to sea level. Today, for about $100 and with off-the-shelf materials, you can build your own cloud chamber and detect cosmic ray muons — the most abundant cosmic ray particle at sea level — at home.
The V-shaped track in the center of the image arises from a muon decaying to an electron and two neutrinos. The high-energy track with a kink in it is evidence of a mid-air particle decay. By colliding positrons and electrons at a specific, tunable energy, muon-antimuon pairs could be produced at will. The necessary energy for making a muon/antimuon pair from high-energy positrons colliding with electrons at rest is almost identical to the energy from electron/positron collisions necessary to create a Z-boson. (THE SCOTTISH SCIENCE & TECHNOLOGY ROADSHOW)
Over the next few years, scientists worked hard to detect these muons not from high-altitude experiments, but to observe them in a terrestrial laboratory. In theory, they were being produced by what we call cosmic ray showers: where particles from space hit the upper atmosphere. When this occurs, interactions from the fast-moving cosmic particles that strike the stationary atmospheric particles produce lots of new particles-and-antiparticles, with the most common product being a short-lived, unstable particle known as a pion.
The charged pions live only for nanoseconds, decaying into muons, among other particles. These muons are also short-lived, but much longer-lived than the pion. With a mean lifetime of 2.2 microseconds, they’re the longest-lived unstable particle except for the neutron, which has a mean lifetime of around 15 minutes! In theory, not only should these cosmic ray showers produce them, but any collision of particles that had enough energy to produce pions should also yield muons that we could study in a lab. The muon, in our detectors, look just like electrons do, except they have 206 times the electron’s mass.
Cosmic ray shower and some of the possible interactions. Note that if a charged pion (left) strikes a nucleus before it decays, it produces a shower, but if it decays first (right), it produces a muon that will have a chance to reach the surface. Many of the ‘daughter’ particles produced by cosmic rays include neutrons, which can convert nitrogen-14 into carbon-14. (KONRAD BERNLÖHR OF THE MAX-PLANCK-INSTITUTE AT HEIDELBERG)
In 1936, Carl Anderson and Seth Neddermeyer were able to distinctly identify populations of both negatively and positively charged muons from cosmic rays, an indication that there were muons and anti-muons, just as there were electrons and anti-electrons (positrons) found in nature. The next year, 1937, saw the scientist team of J.C. Street and E.C. Stevenson independently confirm that discovery in a cloud chamber. Muons were not only real, but relatively common.
In fact, if you hold out your hand and point your palm so that it faces up, towards the sky, approximately one muon (or anti-muon) will pass through your hand with each second that goes by. At sea level, 90% of all the cosmic ray particles reaching Earth’s surface are muons, with neutrons and electrons making up most of the rest. Before we had even discovered mesons, which are composite quark-antiquark combinations, exotic, heavy, unstable baryons (which are combinations of three quarks, like protons and neutrons), or the quarks that underlie matter, we had discovered the muon: the heavy, unstable cousin of the electron.
The particles and antiparticles of the Standard Model are predicted to exist as a consequence of the laws of physics. Although we depict quarks, antiquarks and gluons as having colors or anticolors, this is only an analogy. The actual science is even more fascinating. Note how the particles come in three generations, or copies, with only the first generation giving rise to stable particles. (E. SIEGEL / BEYOND THE GALAXY)
As soon as the physicist I. I. Rabi, who himself would win the Nobel Prize for the discovery of nuclear magnetic resonance (today used ubiquitously in MRI technology), learned about the muon, he famously quipped, “who ordered that?” With so few particles known at the time, adding this strange cousin of the electron — heavy, unstable, and short-lived — seemed like a phenomenon of nature that defied explanation.
We were decades away from uncovering the nature of matter and the structure of the Standard Model, but the muon was our very first clue that there were not only more particles out there waiting to be discovered, but that particles came in multiple generations. The first-generation of particles are the stable ones, consisting of the up and down quarks, the electron and the electron neutrino, and their antimatter counterparts. Today, we know of two more generations: the second-generation, which has charm and strange quarks with muons and muon neutrinos, and the third-generation, which has top and bottom quarks with tau and tau neutrino particles, plus their analogous antimatter counterparts.
At high enough energies and velocities, relativity becomes important, allowing many more muons to survive than would without the effects of time dilation. As it stands, approximately 25% of the muons created in the upper atmosphere reach the Earth. Without relativity, that number would be something like 1-in-1⁰²⁰. (FRISCH/SMITH, AM. J. OF PHYS. 31 (5): 342–355 (1963) / WIKIMEDIA COMMONS USER D.H)
The muon, however, didn’t merely foreshadow all of these new discoveries, but it also yielded an exciting and counterintuitive demonstration of Einstein’s relativity. The muons that get created from cosmic ray collisions, on average, originate at an altitude of 100 kilometers. However, the mean lifetime of a muon is only 2.2 microseconds. If a muon moved extremely close to the speed of light at 300,000 km/s, you can do a little math, multiplying that speed by the muon’s lifetime, to find that they should travel about 660 meters before decaying.
But muons arrive at Earth’s surface, journeying 100 kilometers and still not decaying! How is this possible? Without relativity, it wouldn’t be. But relativity brings along the phenomenon of time dilation, enabling particles that move close to the speed of light to experience time passing more slowly than they do for observers at rest. Without time dilation, we would never have discovered these cosmic muons, and we wouldn’t be able to see them in our terrestrial cloud chambers, not unless we created them from particle accelerators. Einstein, despite not knowing it, helped us discover this fundamentally new form of matter.
An earlier design plan (now defunct) for a full-scale muon-antimuon collider at Fermilab, the source of the world’s second-most powerful particle accelerator behind the LHC at CERN. Muons could achieve energies comparable to protons, but with clean collision signals and all the energy concentrated into one point, like electrons. It truly could be the best of both worlds. (FERMILAB)
Looking ahead, being able to control and manipulate these muons just might lead to advances in experimental particle physics that no other type of collider can match. When you build a particle accelerator, there are only three factors that determine how energetic your collisions are:
how big your ring is, with larger circumference rings achieving higher energies,
how strong your magnetic fields that bend your charged particles are, with stronger magnets leading to higher energies,
and the charge-to-mass ratio of your particle, with low masses leading to synchrotron radiation and a limiting energy, and high masses not having that problem.
That third factor is why we use protons instead of electrons in accelerators like the Large Hadron Collider at CERN, but there’s a drawback: protons are composite particles, and only a tiny fraction of its total energy winds up in a quark or gluon that collides with another. But the muon doesn’t suffer from that drawback, and it also isn’t limited by synchrotron radiation like electrons are, due to its much heavier mass. If we can master muon accelerators, we just might unlock the next frontier in experimental particle physics.
The Muon g-2 electromagnet at Fermilab, ready to receive a beam of muon particles. This experiment began in 2017 and was slated to take data for a total of 3 years, reducing the uncertainties significantly. While a total of 5-sigma significance may be reached, the theoretical calculations must account for every effect and interaction of matter that’s possible in order to ensure we’re measuring a robust difference between theory and experiment in the muon’s magnetic dipole moment. (REIDAR HAHN / FERMILAB)







Today we can look back at the muon's discovery as peculiar, with our hot air balloons and primitive detectors revealing these extremely bent particle tracks. But the muon itself is still a legacy of scientific discoveries. From its power to illustrate the effect of time dilation on the observed particle lifetime to its potential to lead to a fundamentally new, excellent type of particle accelerator, the muon is more than just background noise in some of our most sensitive underground experiments looking for the rarest particle interactions of all. Even today, an experiment to measure the magnetic dipole moment of a muon may be the key that will eventually take us to understanding physics beyond the Standard Model.
Even so, when he unexpectedly announced his existence in 1930, it was really a surprise. Throughout history, no one had imagined that nature would make multiple copies of the fundamental particles that underlie our reality, and that all of these particles would be unstable before decaying. The muon is the first, lightest, and longest-lived of all these particles. When you think of a muon, remember it as the first "generation 2" particle ever discovered and the first clue we ever got about the true nature of the Standard Model.
It Begins With A Bang is written by Ethan Siegel, Ph.D., author of Beyond The Galaxyi Treknology: The Science of Star Trek from Tricorders to Warp Drive.