Mengenal Partikel Elementer (bagian 4) : Lepton 2 : Muon dan Tauon

Muon

Dalam model standar fisika partikel, muon (dari kata Yunani huruf mu digunakan untuk mewakilinya) adalah sebuah partikel fundamental semi stabil dengan muatan listrik negatip dan spin ½. Bersama-sama dengan elektron, tauon dan neutrino, ini dikelompokkan sebagai bagian keluarga lepton dari fermion. Seperti seluruh partikel fundamental, muon memiliki pasangan antimateri bermuatan berlawanan tetapi memiliki massa dan spin yang sama: antimuon.
Untuk alasan historis, muon kadang-kadang dirujuk sebagai mu meson, meskipun mereka tidak dikelompokkan sebagai meson oleh fisikawan partikel modern. Muon memiliki massa 207 kali massa elektron. Karena interaksi mereka adalah serupa dengan elektron, muon dapat seringkali dipikirkan sebagai elektron berat secara ekstrem. Muon dinyatakan oleh µ- dan antimuon oleh µ+.
Di bumi, muon diciptakan ketika pion bermuatan meluruh. Pion diciptakan di atmosfer atas oleh radiasi kosmis dan memiliki waktu peluruhan yang sangat pendek - beberapa nanodetik. Muon tercipta ketika peluruhan pion juga hidup pendek: waktu peluruhan mereka adalah 2,2 mikrodetik. Akan tetapi muon di atmosfer bergerak dengan kecepatan yang sangat tinggi, sehingga efek dilasi waktu dari relativitas khusus membuat mereka menjadi mudah dideteksi pada permukaan bumi.
Sebagaimana dengan kasus lepton bermuatan lain, terdapat muon-neutrino yang memiliki flavor yang sama seperti muon. Muon secara alami meluruh menjadi sebuah elektron, sebuah elektron-antineutrino, dan sebuah muon-neutrino.

Sejarah

Muon ditemukan oleh Carl D. Anderson pada tahun 1936 sewaktu ia mempelajari radiasi kosmis. Ia menyatakan partikel-partikel yang melengkung dalam suatu cara berbeda dari elektron dan partikel-partikel yang dikenal ketika melewati medan magnetik. Secara khusus, partikel baru ini melengkung menuju derajat yang lebih kecil dibanding elektron, tetapi lebih tajam dibanding proton. Diasumsikan bahwa muatan listriknya sama dengan elektron, dan demikian untuk menghitung perbedaan kelengkungan, itu dianggap bahwa partikel-partikel ini adalah massa menengah (terletak antara elektron dan proton).
Untuk alasan ini, Anderson pada awalnya menyebut partiel baru sebuah mesotron, mengadopsi awalan meson- dari kata Yunani untuk "menegah". Dengan segera setelahnya, partikel tambahan dari massa menegah ditemukan, dan istilah lebih umum meson diadopsi untuk merujuk bagi sembarang partikel demikian.
Dipaksa oleh kebutuhan untuk membedakan antara tipe-tipe berbeda dari meson, mesotron dinamai ulang dengan meson mu (dengan huruf Yunani µ (mu) digunakan untuk mengaproksimasi bunyi huruf Latin m).
Akan tetapi, segera ditemukan bahwa mu meson secara signifikan berbeda dari meson yang lain; sebagi contoh, hasil peluruhannya mencangkup neutrino dan antineutrino, ketimbang satu atau yang lain sebagaimana teramati dalam meson yang lain. Jadi mu meson bukanlah meson keseluruhan, dan juga istilah mu meson adalah bebas dan diganti dengan istilah modern muon.
Di pertengahan tahun 1970-an, fisikawan eksperimental memikirkan percobaan menembak neutrino pada target proton. Menurut apa yang kemudian diketahui tentang interaksi lemah, mereka mengharapkan tumbukan untuk mengubah neutrino menuju muon, dan proton menuju bekas peninggalan. Mereka terkejut menemukan dua muon, satu muon negatif dan satu muon positif, dihasilkan dari tumbukan demikian.
Ini membangkitkan kesuksesan diskusi teoritik, hingga sebuah kesepakatan muncul pada bagaimana muon positif hadir. Tumbukan proton atau neutrino tak hanya menghasilkan bekas peninggalan proton dan muon negatif, tetapi sebuah quark pesona, dan quark dengan segera meluruh menjadi quark asing, sebuah neutrino muon, dan sebuah muon positif.
Muon adalah yang pertama dari daftar panjang partikel subatomik yang penemuannya pada awalnya digagalkan ahli teoritik yang tak dapat membuat 'hutan' yang membingungkan sesuai ke dalam beberapa skema konseptual yang rapi. Willis Lamb mengklaim bahwa ia telah mendengarnya mengatakan bahwa pada satu titik "penemu partikel elementer baru biasa dianugerahi hadiah Nobel, tetapi penemuan demikian sekarang seharusnya diganjar dengan US Dollar 10.000,-".
Muon (dari huruf mu (μ) digunakan untuk mewakilinya) adalah partikel elementer dengan muatan listrik negatip dan spin ½. Muon memiliki waktu hidup rata-rata 2,2 μs, lebih panjang dibanding sembarang lepton, meson atau baryon tak stabil yang lain kecuali untuk neutron.
Bersama-sama dengan elektron, tau dan neutrino, muon diklasifikasi sebagai lepton. Seperti seluruh partikel fundamental, muon memiliki kawan anti materi bermuatan berlawanan namun bermassa dan berspin sama: antimuon, juga disebut muon positip. Muon dinyatakan oleh μ− dan anti muon oleh μ+.
Untuk alasan historis, muon kadang-kadang dirujuk sebagai mu meson, meskipun muon tidak diklasifikasikan sebagai meson oleh fisikawan partikel modern. Muon memiliki massa 105,7 MeV/c2, yang mana 206,7 kali massa elektron.
Karena interaksi muon sangat mirip dengan elektron, muon dapat ditinjau sebagai versi yang jauh lebih berat dari elektron. Dikarenakan massa muon yang lebih besar, muon tidak mengemisikan sebanyak radiasi bremsstrahlung; konsekuensinya, mereka jauh lebih menembus dibanding elektron.
Sebagaimana kasus lepton bermuatan yang lain, terdapat neutrino-muon yang memiliki flavor yang sama sebagaimana muon. Neutrino-muon dinyatakan oleh νμ.

Atom muonik

Muon adalah partikel elementer pertama yang ditemukan yang tidak muncul dalam atom biasa. Muon negatif dapat, bagaimana pun, membentuk atom muonik dengan menggantikan elektron dalam atom biasa. Atom muonik adalah jauh lebih kecil dibanding atom sejenis karena, untuk mengekalkan momentum anguler, muon yang lebih masif harus lebih dekat ke inti atom dibanding pasangan elektron yang kurang masif.
Muon positif, ketika dihentikan dalam materi biasa, dapat juga mengikat sebuah elektron dan membentuk atom muonium (Mu), dimana muon beraksi sebagai inti. Massa tereduksi dari muonium, yakni jari-jari Bohrnya, adalah sangat dekat ke hidrogen, oleh karenanya atom berumur pendek ini berperilaku secara kimiawi - dalam aproksimasi pertama - seperti isotopnya yang lebih berat, hidrogen, deuterium dan tritium.

Sumber

Karena produksi muon memerlukan energi frame COM yang tersedia lebih dari 105 MeV, baik peristiwa peluruhan radioaktif biasa maupun peristiwa fisi dan fusi nuklir (semisal yang terjadi dalam reaktor nuklir dan senjata nuklir) tidak cukup energetik untuk menghasilkan muon. Hanya fisi nuklir menghasilkan energi peristiwa nuklir tunggal dalam cakupan ini, namun dikarenakan kendala kekekalan, muon tak dihasilkan.
Di bumi, seluruh muon yang terjadi secara natural dengan jelas dihasilkan oleh sinar kosmis, yang paling banyak terdiri dari proton, banyak yang datang dari ruang yang jauh pada energi yang sangat tinggi.
Sekitar 10.000 muon mencapai setiap meter persegi permukaan bumi setiap menit; bentuk partikel bermuatan ini sebagaimana hasil tumbukan sinar kosmis dengan molekul di atmosfer lebih atas. Penjalaran pada kecepatan relativistik, muon dapat menembus sepuluh meter ke dalam batuan dan materi lain sebelum menipis sebagai hasil absorpsi atau defleksi oleh atom-atom yang lain.

Ketika proton sinar kosmis menubruk nuklir atom udara di atmosfer bagian atas, pion dihasilkan. Peluruhan ini dalam jarak yang relatif pendek (meter) menjadi muon (hasil peluruhan yang “disukai” pion) dan neutrino.
Muon dari sinar kosmis energi tinggi ini, pada umumnya melanjutkan utamanya dalam arah yang sama sebagaimana proton awal, demikian juga pada kecepatan yang sangat tinggi. Disamping waktu hidup mereka, yang tanpa efek relativistik akan memperkenankan jarak paro hidup hanya sekitar 0,66 km paling banyak, efek dilasi waktu dari relativitas khusus memperkenankan muon sekunder sinar kosmis untuk mempertahankan penerbangannya menuju permukaan bumi.
Tentu saja, karena muon tidak biasa menembus materi biasa, seperti neutrino, mereka juga dapat dideteksi jauh di dalam tanah dan dalam air, dimana muon membentuk bagian utama radiasi ionisasi latar belakang natural.
Seperti sinar kosmis, sebagaimana dicatat, radiasi muon sekunder ini juga terarah. Reaksi nuklir yang sama dideskripsikan di atas (yakni tumbukan hadron-hadron untuk menghasilkan berkas pion, yang mana kemudian secara cepat meluruh menjadi berkas muon pada jarak pendek) digunakan oleh fisikawan partikel untuk menghasilkan berkas muon, semisal berkas yang digunakan untuk eksperimen rasio giromagnetik g-2 muon.
Dalam muon yang dihasilkan secara natural, proton energi sangat tinggi memulai proses ditinjau mengawali dari percepatan medan elektromagnetik pada jarak panjang antara bintang atau galaksi, dalam suatu cara analog dengan mekanisme percepatan proton yang digunakan dalam laboratorium pemercepat partikel.

Peluruhan

Peluruhan yang paling umum dari muon meliputi boson W. Muon adalah partikel elementer yang tak stabil dan lebih berat ketimbang elektron dan neutrino namun lebih ringan daripada seluruh partikel materi yang lain.
Muon meluruh melalui interaksi lemah menjadi elektron, dua neutrino dan mungkin partikel yang lain dengan muatan total nol. Hampir keseluruhan waktu, muon meluruh menjadi elektron, elektron-anti neutrino, dan muon-neutrino.
Anti-muon meluruh menjadi positron, neutrino elektron dan antineutrino-muon: Foton atau pasangan elektron-positron juga hadir dalam hasil peluruhan sekitar 1,4% waktu. Waktu hidup rata-rata muon adalah 2.197019 ± 0.000021 μs. Kesamaan waktu hidup muon dan anti-muon telah dibentuk terhadap satu bagian dalam 104.

Tauon

Tauon, atau tau lepton, adalah sebuah partikel elementer bermuatan negatif dengan waktu hidup detik dan massa 1777 MeV (bandingkan dengan 939 MeV untuk proton dan 0,511 MeV untuk elektron). Tauon memiliki antipartikel kaitan (antitauon) dan neutrino (neutrino tau dan antineutrino tau)

Penemuan

Lepton tau dideteksi melalui serangkaian percobaan antara tahun 1974 dan 1977 oleh Martin Lewis Perl dengan koleganya di grup SLAC-LBL. Peralatan mereka terdiri dari cincin penumbuk SLAC baru, disebut SPEAR, dan detektor magnetik LBL. Mereka dapat mendeteksi dan membedakan antara lepton, hadron dan foton. Mereka tak dapat mendeteksi lepton tau secara langsung, agaknya mereka menemukan peristiwa anomali.
Pasti terdapat partikel-partikel tak terdeteksi dikarenakan tak semua energi dari tumbukan awal datang dihitung untuk keadaan akhir. Akan tetapi, mereka tak mendeteksi muon-muon lain atau elektron, atau sembarang hadron atau foton. Ini diajukan bahwa peristiwa ini adalah produksi dan peluruh berikut dari pasangan partikel baru:
Ini adalah sulit untuk membuktikan karena energi untuk menghasilkan pasangan adalah mirip dengan batas ambang untuk produksi D meson. Pekerjaan yang dilakukan di DESY-Heidelberg, and dengan Direct Electron Counter (DELCO) di SPEAR, sesudah itu mengukuhkan massa dan spin tauon.

Klasifikasi

Lepton tau menjadi generasi ketiga dari lepton. Ia adalah pasangan generasi dari elektron (generasi pertama) dan muon (generasi kedua). Seperti elektron dan muon, lepton tau muncul seperti partikel; tak ada struktur yang terdeteksi, dan jika ada, itu harus menjadi skala kurang dari meter. Juga seperti elektron dan muon, tauon memiliki spin ½. Tau lepton dan antipartikelnya membawa muatan listrik yang sama sebagaimana elektron dan positron, berturut-turut.

Peluruhan

Tau adalah hanya lepton yang dapat meluruh menjadi hadron - lepton lain yang tidak memiliki massa. Seperti mode peluruhan yang lain dari tau lepton, peluruhan hadron melalui interaksi lemah.
Karena bilangan lepton seperti tau adalah kekal (hanya secara aproksimasi, dikarenakan osilasi neutrino), sebuah neutrino tau diciptakan ketika sebuah lepton tau meluruh menjadi muon atau elektron.
Perbandingan branching untuk peluruhan dari tau menjadi elektron dan neutrino adalah sekitar 18 persen, dan serupa untuk peluruhan menjadi sebuah muon dan neutrino. Perbandingan branching untuk peluruhan hadron adalah sekitar 64 persen.