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Muonio (fisica)

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Il muonio è un atomo esotico leptonico, cioè uno stato legato[1] composto da un antimuone (muone positivo), che adempie la funzione di nucleo, e un elettrone.[2] Venne scoperto nel 1960 Vernon W. Hughes;[3] ad esso è stato attribuito il simbolo chimico Mu, ma è anche rappresentato con i simboli delle particelle costituenti: μ+e−. Dalla data della sua scoperta l'interesse per il muonio continua e le ricerche su di esso proseguono si arricchiscono, riguardando anche motivi di fisica fondamentale.[4][5][6]

Da non confondere con un altro atomo esotico, formato da una coppia simmetrica muone e antimuone, che è noto tra i fisici come "vero muonio" e che rappresenta una sorta di "positronio pesante".[7][8]

Instabilità

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Il sistema muonio non è stabile: la vita media di quest’atomo esotico è condizionata da quella del suo nucleo, il muone, il quale è soggetto a decadere, quasi esclusivamente (~100%), in un positrone, un neutrino elettronico e un antineutrino muonico:

μ+   →   e+ + anti-νμ + νe

Nel decadimento del muonio si libera anche il suo elettrone, che si aggiunge alle altre particelle prodotte dal decadimento del muone.[9] Questo processo si verifica a causa dell'interazione debole[10] e comporta una vita media di 2,2 μs e questa è anche la vita media del muonio, che non può sussistere dopo il decadimento del muone; la vita media misurata del muonio è di ≈2,2 μs, salvo piccolissime ma importanti variazioni dovute alla reciproca interazione delle due particelle nello stato legato (μ+e−) e che sono oggetto di indagini.[1][11]

Il muonio, in quanto indagabile con la sola QED, viene anche considerato un modello per lo studio della fisica particellare ed anche della fisica oltre il Modello standard;[12] in particolare, sono in corso ricerche sul suo possibile decadimento in un neutrino elettronico e un neutrino muonico: (μ+e−)   →   νμ + νe.[13][14]

Proprietà «atomiche»

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Il muonio, considerato come atomo, sarebbe un atomo monoelettronico come l'idrogeno, con un nucleo che al posto del protone (un barione, particella composita) ha un muone (un leptone, particella elementare) e avente una massa complessiva di circa un nono rispetto a H.[15] La natura leptonica di questo atomo esotico permette di calcolare dall'elettrodinamica quantistica (QED) i suoi livelli energetici con grande precisione, diversamente dal caso dell'atomo di idrogeno, dove la precisione è limitata dall'incertezza sulla struttura interna del protone.[16] Inoltre, dato che la massa ridotta μ del sistema muone - elettrone è quasi uguale a quella del sistema protone - elettrone (μ ≈ me), i parametri energetici del muonio sono quasi uguali a quelli di un atomo diidrogeno e differiscono nettamente da quelli del positronio (μ ≈ ½ me). Infatti, il suo raggio di Bohr e la sua energia di ionizzazione differiscono da quelli dell'idrogeno (o del deuterio o del trizio) per meno dello 0,5%.[17]

In quanto "atomo" soggetto a decadimento e con livelli energetici quasi uguali a quelli dell'idrogeno, qualcuno considera il muonio una specie di secondo radioisotopo dell'idrogeno, dopo il trizio.[18]

Nella pur breve scala temporale della sua esistenza il muonio può partecipare a reazioni chimiche e formare composti, come il cloruro di muonio (MuCl), analogo ad HCl, il muoniuro di sodio (NaMu), analogo a NaH[19] e l'idruro di muonio MuH, analogo al diidrogeno (H2).[20]

Applicazioni spettroscopiche

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Il muonio viene anche usato in una variante della spettroscopia di risonanza dello spin elettronico (ESR) per l'analisi delle trasformazioni chimiche e delle strutture dei composti con proprietà elettroniche potenzialmente valutabili (questa forma di risonanza dello spin elettronico è chiamata risonanza dello spin muonico o μSR).[21] Ci sono altre forme di "risonanza dello spin muonico", per esempio la muon spin rotation, che opera con l'introduzione di un campo magnetico trasversalmente al raggio di muoni, e l'Avoided Level Crossing (ALC), chiamato anche Level Crossing Resonance (LCR).[22]

Note

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  1. ^ a b William J. Marciano, MUONIUM LIFETIME AND HEAVY QUARK DECAYS* (LESSONS LEARNED FROM MUONIUM), in http://arxiv.org/abs/hep-ph/0403071v1, 2018.
  2. ^ (EN) Vernon W. Hughes, Muonium, Springer Berlin Heidelberg, 1992, pp. 35–43, DOI:10.1007/978-3-642-77960-2_8, ISBN 978-3-642-77962-6. URL consultato il 29 settembre 2022.
  3. ^ V. W. Hughes, D. W. McColm e K. Ziock, Formation of Muonium and Observation of its Larmor Precession, in Physical Review Letters, vol. 5, n. 2, 15 luglio 1960, pp. 63–65, DOI:10.1103/PhysRevLett.5.63. URL consultato il 29 settembre 2022.
  4. ^ Vernon H. Hughes, Muonium Has Not Yet Decayed!, in Comments Nucl. Part. Phys., vol. 12, 5&6, 1984, pp. 259-272.
  5. ^ (EN) SciPost: SciPost Physics Proceedings: issue detail, in SciPost Physics Proceedings, n. 5, 6 settembre 2021, DOI:10.21468/scipostphysproc.5. URL consultato il 14 maggio 2024.
  6. ^ (EN) Irene Cortinovis, Ben Ohayon e Lucas de Sousa Borges, Update of Muonium 1S–2S transition frequency, in The European Physical Journal D, vol. 77, n. 4, 2023-04, DOI:10.1140/epjd/s10053-023-00639-z. URL consultato il 14 maggio 2024.
  7. ^ Sarah K. Phillips, Searching for a New State of Matter: True Muonium (PDF), su jlab.org.
  8. ^ Andrzej Banburski e Philip Schuster, Production and discovery of true muonium in fixed-target experiments, in Physical Review D, vol. 86, n. 9, 6 novembre 2012, pp. 093007, DOI:10.1103/PhysRevD.86.093007. URL consultato il 13 maggio 2024.
  9. ^ Alexey A. Petrov, Decays and Oscillations of Muonium (PDF), su indico.fnal.gov.
  10. ^ Il decadimento del muonio non può avvenire a causa dell'interazione elettromagnetica, come accade per il positronio, perché muone ed elettrone appartengono a due diverse generazioni di leptoni.
  11. ^ Andrzej Czarnecki, G. Peter Lepage e William J. Marciano, Muonium decay, in Physical Review D, vol. 61, n. 7, 17 febbraio 2000, pp. 073001, DOI:10.1103/PhysRevD.61.073001. URL consultato il 13 maggio 2024.
  12. ^ (EN) Miriam Arrell, Paul Scherrer Institute, Studying muonium to reveal new physics beyond the Standard Model, su phys.org. URL consultato il 13 maggio 2024.
  13. ^ An Experiment to Search for the Muonium Decay µ+e- -> νµνe (PDF), Gennaio 2014.
  14. ^ S. N. Gninenko, N. V. Krasnikov e V. A. Matveev, Invisible decay of muonium: Tests of the standard model and searches for new physics, in Physical Review D, vol. 87, n. 1, 11 gennaio 2013, pp. 015016, DOI:10.1103/PhysRevD.87.015016. URL consultato il 13 maggio 2024.
  15. ^ Takeaki Iwamoto e Shintaro Ishida, Stable Silylenes and Their Transition Metal Complexes, Elsevier, 2017, pp. 361–532, DOI:10.1016/b978-0-12-801981-8.00008-3, ISBN 978-0-12-801981-8. URL consultato il 14 maggio 2024.
  16. ^ (EN) Klaus P. Jungmann, PAST, PRESENT AND FUTURE OF MUONIUM, WORLD SCIENTIFIC, 2004-12, pp. 134–153, DOI:10.1142/9789812702425_0009. URL consultato il 13 maggio 2024.
  17. ^ David C. Walker, Muon and muonium chemistry, Cambridge University Press, 1983, ISBN 0-521-24241-X, OCLC 9132059. URL consultato il 29 settembre 2022.
  18. ^ (EN) C.J. Rhodes, Perkin Transactions 2, 2002.
  19. ^ (EN) W. H. Koppenol, Names for muonium and hydrogen atoms and their ions(IUPAC Recommendations 2001), in Pure and Applied Chemistry, vol. 73, n. 2, 1º gennaio 2001, pp. 377–379, DOI:10.1351/pac200173020377. URL consultato il 29 settembre 2022.
  20. ^ Youssef Kora, Massimo Boninsegni e Dam Thanh Son, Muonium hydride: the lowest density crystal, in Physical Review Research, vol. 3, n. 2, 10 maggio 2021, pp. 023113, DOI:10.1103/PhysRevResearch.3.023113. URL consultato il 14 maggio 2024.
  21. ^ Muon spin rotation/relaxation/resonance: basic principles, Cambridge University Press, 2003, pp. 100–125, DOI:10.1017/cbo9780511470776.007, ISBN 978-0-521-59379-3. URL consultato il 14 maggio 2024.
  22. ^ Muon Avoided Level Crossing Resonance, su musr.ca. URL consultato il 14 maggio 2024.

Voci correlate

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Collegamenti esterni

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