Článek
Jsou to velmi zvláštní částice. Vznikají, když se kosmické záření střetne se zemskou atmosférou. Při kontaktu s plynným obalem naší planety se z kosmu letící částice srážejí s dusíkem, kyslíkem a jinými prvky. S každou takovou srážkou se vesmírní návštěvníci rozpadají na tzv. sekundární částice. A jednou z takových částic jsou právě miony.
Podobně jako třeba elektrony, jsou miony tzv. elementární částicí. Tedy nejmenším stavebním kamenem hmoty, který se už nemůže štěpit na menší kousky. Oproti elektronům jsou ale mnohem těžší. Jejich hmotnost činí asi 200 násobek hmotnosti známé záporné částice. Na rozdíl od elektronů navíc miony patří mezi. tzv. nestabilní částice. Existují jen po dobu několika mikrosekund.
Kvůli jejich krátkému životu a vesmírnému původu byly miony objeveny teprve nedávno. Jako první je popsali američtí vědci Carl D. Anderson a Seth Neddermeyer při studiu kosmického záření roku 1936.
Jepičí život a rychlost světla
Když oba zmínění vědci pozorovali postupný rozpad záření, všimli si částic vznikajících v nižších patrech atmosféry. Jejich dráha byla zakřivena způsobem, který neodpovídal žádné do té doby známé částici. Oba vědci si v tu chvíli pomysleli, že objevili chybějící stavební prvek atomu, který je nositelem vzájemné interakce mezi protony a neutrony v jádru. Vedla je k tomu zejména odpovídající hmotnost nově objevených částic, která se nacházela právě mezi hmotností protonu a elektronu. Nakonec se ale ukázalo, že objevili zcela novou a samostatnou částici. Mion.
Laureáti Nobelovy ceny za rok 1936. Carl D. Anderson v první řadě jako druhý zprava
Vědce nově objevená hmota ihned zaujala. Nejprve svým velmi krátkým „životem“. Miony totiž disponují poločasem rozpadu zhruba 1,5 mikrosekundy. V důsledku toho v atmosféře přežijí v průměru okolo 2 mikrosekund a jen malé procento z nich se „dožije“ 10 mikrosekund.
Co ztrácejí tyto mikročástice v dlouhověkosti, nahánějí svou extrémní rychlostí. Pohybují se téměř rychlostí světla. Přesněji je to okolo 0,99 c, což odpovídá asi 298 000 km/s. Přes takto vysokou rychlost by mělo být téměř vyloučeno, aby miony doletěly až k zemskému povrchu. Jejich krátký život by jim to jednoduše neměl umožnit a ony by se měly rozpadnout již mnohem dříve vysoko nad našimi hlavami.
Na první pohled je to jednoduchá fyzika. Pokud budeme brát v potaz nižší patra atmosféry, ve kterých miony vznikají, tedy výšku okolo 10 tisíc metrů nad zemí, pak mionu letícímu rychlostí světla zabere cesta z této výšky na zemský povrch asi 35 mikrosekund. Vzhledem ke kratičkému poločasu rozpadu je evidentní, že na takový let krátký život mionů nevystačí. Poslední letící částice by měly zaniknout nanejvýš po 15 mikrosekundách někde na půli cesty k povrchu Země.
Přesto mionové detektory zachytí na relativně malé ploše i několik tisíc dopadnuvších částic za minutu. Jak je to možné?
Einsteinovy drobky
Pro odpověď na tuto otázku se budeme muset obrátit na nejvěhlasnějšího vědce všech dob a na jeho nejslavnější formuli. Ano, řeč je o Einsteinovi a jeho teorii relativity. Součástí této světoznámé teorie je také tzv. Speciální teorie relativity. Ta zahrnuje mj. i princip dilatace času. A přesně v ní je schován onen trik, který miony využívají k tomu, aby dolétly až na zem.
Základem jejich fíglu je, že plynutí času je relativní a závisí na vzájemném pohybu dotčených těles. Na rychlosti.
Vědec pozorující na zemi blikající mionový detektor vnímá poločas rozpadu mionů jako časový úsek definovaný „pozemskými“ 1,5 mikrosekundami. Naproti tomu pro mion pohybující se ve vztahu k onomu vědci téměř rychlostí světla je tento pozemský časový úsek díky extrémní vzájemné rychlosti natažen, a to téměř desetinásobně. To znamená, že pro letící mion plyne čas v porovnání se Zemí asi desetkrát pomaleji. Díky tomuto ohnutí času se rázem dostaneme do stavu, kdy se průměrná délka života letícího mionu zvýší na 20 pozemských mikrosekund. Toto kouzlo s časem je dostatečné k tomu, aby značná část těchto Eisteinových drobků dopadla až na zemský povrch.
Výzkumná stanice věnující se studiu kosmického záření na svazích nejvyšší arménské hory Aragats. Zařízení patří k nejstarším svého druhu na světě. Funguje od roku 1943.
Z pozemského úhlu pohledu jsou tedy miony schopny ohýbat plynutí času tím, že na jeho běh působí svou extrémní rychlostí. Jenže, jak už nám vysvětlovali ve fyzice učitelé na základní škole, rychlost je relativní a mění se podle toho, vůči jakému objektu ji posuzujeme. Jedoucí auto je ve vztahu ke stojícímu chodci v pohybu rychlostí dejme tomu 50 km/h, avšak ve vztahu k pavoukovi zavěšenému na zpětném zrcátku je takové auto stacionární. A podobné je to i se Zemí a miony.
Jak si zakřivit časoprostor
Rovnice, jejímž výsledkem je dopad mionu na zem, tak musí platit také z pohledu samotného mionu. Tato částice totiž celou situaci pozoruje z pohledu onoho „stojícího chodce“, ke kterému se blíží ta rychle letící koule v podobě planety Země. V takové situaci se vracíme do stavu, kdy v prostředí takto „stojícího“ mionu je jeho poločas rozpadu opět oněch kratičkých 1,5 mikrosekundy. V tomto teoretickém případě by tedy mion stál na místě a nejpozději po 10 až 15 mikrosekundách by zanikl někde v plynném obalu rychle se blížící planety Země.
Po této úvaze dojdeme rychle k závěru, že pro platnost celé rovnice i z pohledu „stojícího“ mionu, se musí ohnout jediná zbývající veličina. Prostor. Respektive, musí se zkrátit dráha, kterou Země ve vztahu k mionu urazí.
Pokud tedy budeme brát v potaz vzájemnou rychlost Země a mionu, bude vzdálenost částice k zemskému povrchu z oněch 10 kilometrů zkrácena asi na kilometr. Tato kontrakce dráhy způsobí, že z pohledu mionu postačí k jejímu překonání pouhé 3,5 mikrosekundy. A to už je dostatečně krátký časový úsek na to, aby se část mionů dožila dopadu na zem.
Samozřejmě to bude přesně stejný počet mionů, jako v případě, kdy stejnou situaci posuzujeme z pohledu vědce, který na povrchu naší planety pozoruje blikající mionový detektor.
Souhrnně tak můžeme říct, že v případě mionů a jejich průniku zemskou atmosférou dochází v přímém přenosu k prokázání jednoty časoprostoru a možnosti jeho zakřivení v rámci Speciální teorie relativity.
Pyramidy, plutonium a urychlovače
Celé vysvětlení je o to více fascinující, když vezmeme v úvahu, že Einstein sepsal tuto část teorie relativity už v roce 1905, tedy více než třicet let předtím, než Anderson s Neddermeyerem vůbec miony objevili. A ačkoliv se nejednalo o první praktické ověření teorie relativity, bylo to jedno z prvních pozorování Einsteinovy teorie přímo v prostředí planety Země.
CMS - Compact Muon Solenoid detector - tedy detektor částic, který zachycuje a analyzuje, kromě jiných, také miony.
Naše pojednání o mionech ale nemůžeme ukončit bez zmínek o jejich praktickém využití. Jako ionizující částice, které dosahují závratných rychlostí, jsou miony velmi pronikavé. Na začátku tohoto článku to vypadalo, že nejspíš ani nedokáží doletět na zemský povrch. Jenže realita je taková, že ony nejen, že k povrchu Země doletí, značné procento mionů pronikne i hluboko do půdních vrstev naší planety. Tyto podivuhodné částice byly detekovány dokonce v hloubce několika kilometrů.
Tato vlastnost činí z mionů velmi užitečné pomocníky. Jelikož jsou pronikavější než rentgenové paprsky, používají se při průzkumu větších těles. Tzv. mionová tomografie zkoumá vliv objektu na spršku mionových částic přilétnuvších z vesmíru, která testovaným vzorkem prochází. Podle toho, jak jím miony prolétnou, pak dokáže analyzovat vnitřek a složení zkoumaného objektu. Tato metoda byla poprvé použita při hledání skrytých místností v egyptských pyramidách.
Nyní se uvažuje o využití podobného zařízení k průzkumu lodních kontejnerů. V těch by mionový tomograf mohl vyhledávat nebezpečné zásilky, jako jsou například zbraně, střelivo nebo dokonce plutonium pro výrobu jaderných hlavic.
Možné využití mionů ale sahá mnohem dál než na paluby nákladních lodí nebo do tajných chodeb pyramid.
V posledních letech se stále více skloňuje téma mionového urychlovače. Řeší se nestabilita těchto zvláštních částic. Zároveň s tím se zkoumají možnosti aplikace mionové katalýzy pro účely studené fúze.
Jiní vědci pak v rámci projektu Mion g-2 počítají v magnetickém akumulačním prstenci odchylku tzv. g-faktoru, díky níž chtějí prokázat existenci páté síly a objevit novou částici.
To už je ale zcela jiný příběh, který by vydal na několik odborných publikací a řadu vědeckých článků.
Zdroje:
Matematicko-fyzikální časopis Rozhledy, ročník 97 (2022) číslo 4
https://timeline.web.cern.ch/carl-anderson-and-seth-neddermeyer-discover-muon
http://fyzika.jreichl.com/main.article/print/677-miony
https://www.aldebaran.cz/bulletin/2021_09_tom.php
https://www.lidovky.cz/orientace/miony-vesti-novou-fyziku-existuje-pata-zakladni-sila.A210414_125254_ln_veda_ape
https://www.youtube.com/watch?v=kBzn4o4z5Bk&t=1573s
