¿Cuál es la diferencia entre muones y electrones en el experimento?

Los muones pueden penetrar más fácilmente en más material. Normalmente, en la mayoría de los detectores hay un patrón distinguible entre muones y electrones. Un claro ejemplo serían los datos del detector Super Kamiokande donde se detecta la luz de Cerenkov procedente de electrones/muones.

Las "borras" del círculo de la derecha significan que la luz provino de un electrón que se dispersó y emitió algunos fotones Bremsstrahlung.

El objetivo de todo esto es mostrarte que solo la diferencia de masa es suficiente para que el muón penetre mucho más material que el electrón. Esto se debe al hecho de que las fórmulas (simplificadas) para Bremsstrahlung son:

o

y ambos son proporcionales a la aceleración AL CUADRADO! La fuerza aplicada sobre ambas partículas del material en el calorímetro, por ejemplo, es la misma (solo un campo E), pero debido a las diferentes masas, el electrón tiene una aceleración mucho mayor, por lo que pierde más energía. Esto, por supuesto, se simplifica, ya que si lo está calculando con precisión, debe tener en cuenta los efectos relativistas, pero la intuición es la misma.

Los muones son unas 200 veces más pesados ​​que los electrones; los muones tienen unos 100 MeV, mientras que los electrones tienen unos 0,5 MeV. De ello se deduce que, mientras que un electrón se detiene en el ECAL, un muón simplemente lo atraviesa y entra en la cámara de muones, como se ilustra en esta caricatura de esta publicación de blog sobre el muón.

Sin embargo, esta cifra no debe interpretarse como que los muones crean una gran perturbación y depositan gran parte de su energía e impulso en el ECAL; todo lo contrario.

De hecho, podemos modelar la colisión elástica de un muón con un electrón en reposo y de dos electrones usando la conservación de la energía y el momento, por ejemplo,

$$\text{Initial muon momentum} = \text{Final muon momentum} + \text{Electron momentum}$$ y $$\text{Initial muon energy} = \text{Final muon energy} + \text{Electron energy}$$ Con las expresiones habituales (ej. $p = mv$), encontramos que un muón retiene alrededor de $99\%$de su velocidad inicial, $v_i$, $$\frac{v_f}{v_i} = \frac{m_\mu - m_e}{m_\mu + m_e} \approx 99\%$$ dónde $v_f$es su velocidad final. Un electrón, por otro lado, no retiene nada de su velocidad, $v_f = 0$, como en una colisión elástica entre bolas de igual masa, las bolas simplemente "intercambian" velocidades.

Picar liendres:

por qué solo los muones pueden llegar a las cámaras de muones, o por qué los muones pueden llegar a las cámaras de muones pero no ser detectados en el calorímetro EM.

Los muones se detectan en el calorímetro electromagnético como pistas cargadas. No se identifican como muones y pasan por hadrones como posibles: protones, kaones cargados, piones. El calorímetro hadrónico detecta los hadrones por sus fuertes interacciones con el material, y el detector de muones se asegura de que la pista que atraviesa solo tenga interacciones electromagnéticas y débiles, ya que ha atravesado tanta masa hadrónica sin interacción. Por lo tanto, se identifica como un muón, mediante la exclusión de otras posibilidades y el uso del modelo estándar que no tiene otras partículas cargadas que interactúan débilmente.

Este artículo cubre en detalle el tema de la pérdida de energía de las partículas a medida que pasan a través de diversos materiales . Esto depende de la masa, para el mismo impulso, cuanto menor es la masa, mayor es la pérdida de energía, como se muestra en otras respuestas.