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1. 개요
렙톤의 입자 중 하나. 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.[1] 1936년에 발견되었다. 영어로는 muon이다.2. 특징
질량이 크다보니[2] 안정성이 떨어져 순식간에 붕괴한다. 붕괴하면 99.9% 이상의 확률로 전자와 양전자 중성미자, 뮤온 중성미자로 붕괴한다. 뮤온을 촉매삼아서 핵융합의 최대 장벽인 투입 에너지를 대폭 줄이는 뮤온 촉매 핵융합이라는게 연구되기도 했다. 자세한건 문서 참조.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 이루어졌다. 이 값들은 표준모형에서 예측한 값과 3 시그마 이상의 차이가 있다는 것이 밝혀졌다. 이 차이에 대해서 초대칭 이론이나 다른 효과들이 원인으로 의심되고 있다.
우주선(cosmic ray)이 공기분자와 충돌하면 뮤온이 생성된다. 이렇게 생성된 뮤온은 안개상자와 같은 입자 검출기로 쉽게 검출이 가능하다. 뮤온의 수명은 2.2마이크로초에 불과하므로, 지상에서 10킬로미터 떨어진 고도 대기에서 생성되어 날아오는 뮤온을 지구상에서 안개상자로 검출한다는 것은 불가능하다고 생각되기 쉽다. 이런 뮤온은 광속에 가까운 초고속으로 움직이지만, 수명이 이렇게 짧다면 1킬로미터도 이동하기 전에 붕괴해야 한다. 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 있다. 반대로 뮤온 입장에서는 움직이는 관성좌표계(지구)가 길이 수축되어 수십킬로미터가 수백 미터로 단축되는 경험을 해서 2 마이크로초만에 지표면에 도달하는 것으로 관측된다.
어떤 대상을 사이에 두고 이러한 뮤온 우주선의 양을 측정하면 사이에 있는 물질의 양이 얼마나 되는지 계산이 가능하다. 그러한 방식을 뮤온 단층 촬영(muon tomography)이라 부르며 이를 통해 화산이나 피라미드의 구조를 알아내기도 한다. 암흑 물질을 검출하려 하는 지하 실험에서 뮤온의 양은 외부 우주선이 얼마나 차폐되었는지를 대표하는 지표로 사용되기도 한다.
LHC와 같은 입자 충돌 실험의 검출기를 구성할 때에는 가장 바깥쪽에 뮤온 검출기를 둔다. 검출기에 지나간 흔적을 남기는 전하를 띤 입자(양성자, 케이온, 파이온, 전자, 뮤온) 가운데 사실상 가장 반응을 덜하는 입자인 까닭이다.
뮤온의 반물질인 반뮤온은 전자와 결합하여 뮤오늄이라는 원자와 비슷한 구조를 만든다. 뮤오늄을 통해 뮤온의 질량과 여러가지 성질을 알 수 있다.
3. 생성
자연적으로는 2차 우주선으로 생성된 파이온이나 케이온의 붕괴를 통해 생성된다. 인공적으로는 양성자를 탄소와 충돌시켜 파이온을 만들고 생성된 파이온의 붕괴를 통해 뮤온을 생성시킨다. 전자를 물체와 충돌시켜 쌍생성된 뮤온을 얻는 방법이나 광자빔을 물체에 쏘아 뮤온을 생성하는 방식도 제안되어있으나 2022년 기준으로 해당 방식을 통한 뮤온 생성은 이루어지지 않고 있다.4. 기타
- 위에서 언급한 브룩헤이븐 국립 연구소(BNL)와 페르미 국립 가속기 연구소(FNAL)의 자기모멘트의 정밀한 측정값과 표준모형에서 예측한 값의 차이를 비교했더니, 2021년 페르미 국립 가속기 연구소(FNAL)의 뮤온 g-2 실험이 표준모형에서 4시그마 이상 차이났다는 결과가 나와[3] 새로운 입자나 새로운 힘이 발견될 가능성이 거론되고 있다.
- 2021년 미 해군이 Geoptic Infrasturture Investgations Ltd 이라는 영국 회사와 같이 뮤온을 이용한 위치 시스템을 개발하기로 했다. 주 목표는 극지방에 있는 잠수함들의 정확한 위치[4] 파악.
[1]
P. A. Zyla et al. (Particle Data Group), Prog. Theor. Exp. Phys., 2020, 083C01 (2020)
[2]
전자 질량의 206.7682830(46)배다!
[3]
정규분포에서 평균과 3시그마(σ) 이상의 차이가 날 확률은 0.13% 에 불과하다. 4시그마 밖으로 벗어날 확률은 0.01% 보다도 낮다.
[4]
GPS 위성들의 궤도 구조로 인해 이런 극지방은 위치 찾기가 힘들다.