Мюоний в картинках

Весной 2022 года я поднимал в этом блоге две необычные темы из области фундаментальной химии. Первая называлась «Из чего состоит мировой эфир. Последняя теория Менделеева» — в ней я рассказывал, как Дмитрий Иванович Менделеев, продолжая опираться на атомный вес, пытался надстроить «нулевой» период над водородом и, вероятно, неосознанно двигался к открытию нейтрона. Вторая статья называлась «Распад протона – невозможность 2,5 класса». Наряду с проблемой практически абсолютной стабильности протона (без внешнего воздействия он распадается, в отличие от нейтрона, который вне атома живёт всего около 10 минут). В этой статье я также упомянул некоторые экзотические атомы, то есть, атомоподобные частицы, имеющие нулевой заряд; наиболее известной из них является антипротон.

Чтобы представить себе химический элемент, который был бы значительно легче водорода, нужно поместить в его ядро частицу, значительно уступающую по массе протону, но превосходящую по массе электрон или позитрон, так, что вокруг неё могло бы собраться «электронное облако». Сегодня расскажу об удивительном атоме такой природы, открытом ещё в 1960 году. Он называется «мюоний».

Обзор мюонсодержащих атомов

Мюоний — это атом, состоящий из положительно заряженного антимюона и электрона. По химическим свойствам он более всего напоминает атом водорода.

Мюоний был открыт в 1960 году группой под руководством Вернона Хьюза из Лос-Аламосской Национальной Лаборатории. Он образуется в ходе захвата электронов антимюонами,   образующимися в исследовательских реакторах, часть из которых перечислена здесь. Впервые этот процесс удалось наблюдать, пропуская мюонные пучки сквозь чистый аргон. 

Антимюон имеет положительный заряд и поэтому может захватывать отрицательно заряженный электрон. Мюон, в свою очередь, имеет отрицательный заряд, поэтому может образовывать атом с протоном; в таком случае получается так называемый «мюонный водород».

Как и электрон, мюон относится к классу лептонов, но при этом он в 200 раз тяжелее электрона, поэтому в мюонном водороде примыкает к ядру-протону гораздо плотнее, чем электрон в обычном водороде. В то же время, мюон примерно вдевятеро легче протона (если сравнивать его массу с массой покоя протона).

С химической точки зрения мюоний, показанный выше, напоминает водород, но по массе должен располагаться именно в начале «нулевого периода» таблицы Менделеева. Организация ИЮПАК присвоила мюонию символ Mu. Мюоний существует около 2,2 микросекунд, что сравнимо с временем полураспада некоторых сверхтяжёлых элементов  за это время, будучи в растворе, успевает вступать в простые химические соединения. Известны, например, хлорид мюония (MuCl) и мюонид натрия (NaMu). Научная ценность мюония заключается, прежде всего, в том, что это минимальная и, соответственно, самая чистая система для изучения слабого взаимодействия, удерживающего электроны в атоме. Так, именно на основе слабого взаимодействия возникает химическая связь между мюонием и антимюонием — другим экзотическим атомом, состоящим из мюона и позитрона.

Известно, что мюоний вступает в реакцию с молекулярным водородом, образуя мюонный дейтерий. Ещё в 2008 году уважаемый Игорь Иванов попытался систематизировать запутанную номенклатуру мюонных атомов, и, в совокупности с пояснениями ИЮПАК, на которые он также ссылается, возникает парадоксальная ситуация: как мюоний из антимюона и электрона, так и мюониевый водород с мюоном вместо электрона в химических реакциях ведут себя как водород, и, в том числе, вступают с молекулярным водородом в связь HMu (эта молекула наиболее похожа на H₂).

Более того, мне удалось найти статью Мохаммада Голи и Шанта Шахбазяна из Университета им. Шахида Бехешти в Тегеране, где описан мюонный гелий. Это ядро, в котором две орбитали вокруг альфа-частицы заняты электроном и мюоном. При этом мюон располагается ближе к ядру, чем электрон.

Мюонная физика

Мюоний (M≡μ+​e−) отличается от всех прочих атомов тем, что состоит из двух лептонов и не содержит адронов, самым распространённым из которых является протон. Лептоны — это бесструктурные частицы, похожие на кварки, но, в отличие от последних, существующие в свободном состоянии (чтобы получить свободные кварки, что пока считается возможным лишь теоретически, нужно выполнить деконфайнмент, то есть, получить кварк-глюонную плазму). Получить мюоний можно, воздействуя на мюонные пучки лазером или микроволнами. Поскольку пара мюон-электрон проявляет свойства атомов, но не содержит адронов, её можно трактовать как систему двух тел, объединённой чистым электромагнитным взаимодействием. Энергетические уровни мюония полностью описываются уравнениями квантовой электродинамики.

Мюонные атомы уже применяются в атомной спектроскопии, исследовании крайне слабых магнитных полей и поиске дефектов в полупроводниковых пластинах. Остановлюсь подробнее на последнем варианте применения мюония.

Как в полупроводниках, так и в изоляторах, антимюон может захватывать электрон, образуя мюоний. С химической точки зрения такой атом аналогичен неионизированному водороду в кристаллической решётке твёрдого тела. Меняя спин мюона, можно изучать электронные состояния и находить в решётке пустоты, в которых могут оказываться атомы водорода (в данном случае являющиеся загрязнителями). Компания IBM успешно проводила такие исследования в диоксиде кремния (SiO₂), кремнии, германии, алмазе, а также в различных оксидах. Ещё раньше, в середине 1980-х аналогичные опыты ставились в университете Олбани, штат Нью-Йорк для уточнения сверхтонкой структуры полупроводников.  

Наконец, мюоний чрезвычайно интересен при изучении гравитации, а потенциально и для получения эффекта, напоминающего антигравитацию.

По массовой доле в мюонии абсолютно преобладает положительно заряженный антимюон, являющийся лептоном (≈ 200 : 1), причём, лептоном второго поколения. Мюоний — самая лёгкая известная нам совокупность двух частиц, являющаяся электрически нейтральной. Соответственно, мюоний не подвержен электромагнитным силам, и на примере взаимодействия электрона (вещество) и антимюона (антивещество) открывается возможность напрямую измерить гравитационное взаимодействие между ними. Такой эксперимент можно поставить при помощи атомного интерферометра. Получать мюоний в достаточном количестве можно из аэрогелей, таких, как мезопористый диоксид кремния, который при охлаждении ниже 100 K не только выделяет значительное количество атомов мюония, но и удерживает их от испарения (они как будто прилипают к стенкам пористой структуры).   

Мюоний представляется одним из самых перспективных атомов для получения антигравитации. Как показала симуляция, смоделированная в 2023 году, антипротоны должны падать вниз, то есть, подчиняться гравитации как обычные атомы, а в 2026 году учёные из коллаборации Alpha-G провели такой эксперимент с реальными атомами антиводорода, которые при полном исключении электромагнитного воздействия в 80% случаев действительно покидали ловушку через нижнюю часть, то есть, выпадали из неё. С другой стороны, с мюонием такие опыты пока не проводились, а получать антимюоны проще, чем антипротоны, так как они легче. Учитывая опыт с антиводородом, в вакууме мюоний, скорее всего, также должен падать вниз. Однако, поскольку он легче всех известных атомов, стабилизированный мюоний должен обладать очень большой подъёмной силой, больше, чем у водорода, и в любой атмосфере или жидкости поднимать массивные объекты так, как водород и гелий поднимают воздушные шары.

В завершение этой статьи опишу ещё один экзотический атом, существование которого логически следует из изложенного здесь. Вот как он выглядит:

Такая частица, состоящая из мюона и антимюона, в строгом смысле является атомом, поскольку электрически нейтральна и имеет ненулевую массу. Только это полностью безъядерный атом, который должен быть в сотни раз легче мюония. Он называется «димюоний» или «истинный мюоний» и в экспериментах пока не наблюдался. Вероятно, для создания таких экзотических атомов потребовался бы электрон-позитронный коллайдер, конструкция которого описана здесь. Чрезвычайно краткие сроки жизни этих экзотических атомов не позволяют рассчитывать на их скорое практическое применение, но, надеюсь, мне удалось показать в этой статье, что они открывают путь к новой химии и потенциально к новой физике.