뮤온의 결과

뮤온은 렙톤의 입자 중 하나입니다. 질량은 105.658 374 5(24) MeV/c2, 수명은 2.196 981 1(22)×10-6s, 이상자기모멘트값은 (g-2)/2 = 11 659 209(6)×10-10,1936년에 발견되었습니다.

질량이 크다보니 안정성이 떨어져 순식간에 붕괴합니다. 붕괴하면 99.9% 이상의 확률로 전자와 양전자 중성미자, 뮤온 중성미자로 붕괴합니다. 뮤온을 촉매삼아서 핵융합의 최대 장벽인 투입 에너지를 대폭 줄이는 뮤온 촉매 핵융합이라는게 연구되기도 했습니다. 

이상자기모멘트 값은 브룩헤이븐 국립 연구소(Brookhaven National Laboratory)에서 540 ppb 단위로 정밀한 측정이 이루졌고 페르미 국립 가속기 연구소(FNAL)에서도 460 ppb 수준의 측정이 이루어졌습니다. 이 값들은 표준모형에서 예측한 값과 3 시그마 이상의 차이가 있다는 것이 밝혀졌습니다. 이 차이에 대해서 초대칭 이론이나 다른 효과들이 원인으로 의심되고 있습니다.

우주선이 공기분자와 충돌하면 뮤온이 생성됩니다. 이렇게 생성된 뮤온은 안개상자와 같은 입자 검출기로 쉽게 검출이 가능합니다. 뮤온의 수명은 2.2마이크로초에 불과하므로, 지상에서 10킬로미터 떨어진 고도 대기에서 생성되어 날아오는 뮤온을 지구상에서 안개상자로 검출한다는 것은 불가능하다고 생각되기 쉽습니다. 이런 뮤온은 광속에 가까운 초고속으로 움직이지만, 수명이 이렇게 짧다면 1킬로미터도 이동하기 전에 붕괴해야 합니다. 그러나 뮤온은 광속에 가깝게 움직이므로 상대성 이론의 시간 팽창을 경험하게 되며, 10배 가까운 시간 팽창이 일어나 실제로는 관측자가 봤을 때 20 마이크로초가 넘게 붕괴되지 않고 존재하며 지상에 도달할 수 있습니다. 물론 뮤온 입장에서는 2 마이크로초밖에 걸리지 않은 셈이지만, 어떤 대상을 사이에 두고 이러한 뮤온 우주선의 양을 측정하면 사이에 있는 물질의 양이 얼마나 되는지 계산이 가능합니다. 그러한 방식을 뮤온 단층 촬영(muon tomography)이라 부르며 이를 통해 화산이나 피라미드의 구조를 알아내기도 합니다. 암흑물질을 검출하려 하는 지하 실험에서 뮤온의 양은 외부 우주선이 얼마나 차폐되었는지를 대표하는 지표로 사용되기도 합니다.

LHC와 같은 입자 충돌 실험의 검출기를 구성할 때에는 가장 바깥쪽에 뮤온 검출기를 둡니다. 검출기에 지나간 흔적을 남기는 전하를 띤 입자(양성자, 케이온, 파이온, 전자, 뮤온) 가운데 사실상 가장 반응을 덜하는 입자인 까닭입니다.

뮤온은 전자와 결합하여 뮤오늄이라는 원자와 비슷한 구조를 만듭니다. 뮤오늄을 통해 뮤온의 질량과 여러가지 성질을 알 수 있습니다.

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