Fuentes astronómicas de muones

muones primarios

Los muones se pueden producir en cualquier evento suficientemente energético, pero nunca los vemos directamente.

El problema es que, aunque tienen una vida larga según los estándares de la física de partículas, los muones todavía tienen una vida media de unos 2 microsegundos ($\tau = 2.2 \times 10^{-6} \,\mathrm{s}$).

La distancia media que pueden viajar (cuando es altamente relativista) es

$$d_\text{mean} \approx \gamma \tau c \;,$$ dónde $\gamma = [1 - (v/c)^2]^{-1/2}$es el factor de Lorentz. Ambos $\tau$y $c$son constantes, entonces podemos reescribir esto como $$d_\text{mean} = \gamma (660\,\mathrm{m}) \;.$$

Pero la distancia a los eventos astrofísicos se mide en años luz, cada uno de los cuales es más de$10^{15}\,\mathrm{m}.$Entonces, para que tengamos una posibilidad razonable de capturar un muón de un evento astrofísico "cercano", tendría que tener una energía del orden de$10^{12} m_\mu = 10^{20} \,\mathrm{eV}$. ¹ Ahora, en realidad vemos algunos rayos cósmicos con esa energía , pero provienen de núcleos galácticos activos, por lo que la fuente candidata más cercana es el gran agujero negro en el centro de nuestra propia galaxia, a unos 30.000 años luz de nosotros. Eso eleva la escala de energía a algo como$10^{24}\,\mathrm{eV}$.

Esto está simplemente más allá de la energía que hemos observado concentrada en una sola partícula.

Entonces, respuesta corta, corta, primera parte: no hay fuentes astrofísicas observadas de muones primarios (lo que significa que ningún muón creado en eventos astrofísicos alcanza el detector en o alrededor de la Tierra).

Firmas de muones

Ahora, podría decir, bueno, "Está bien, sería suficiente para observar una firma inconfundible de muones".

Eso significa una de las pocas cosas

1. Ver productos de descomposición de muones que no se pueden crear de otra manera.
2. Ver otras partículas que solo se generan en reacciones en las que intervienen muones.
3. Ver una firma espectroscópica de creación o descomposición de muones.

Así que tomemos esos uno a la vez. El resumen del grupo de datos de partículas de la física de muones (enlace PDF) será útil aquí.

Productos de desintegración de muones.

Los muones son el segundo leptón con carga más ligera y son más ligeros que todos los hadrones. En consecuencia, sus productos de desintegración pueden involucrar electrones, positrones y varios neutrinos. Como todos estos son abundantes en cualquier evento enérgico, no hay firma aquí.

Firmas de creación

Las únicas partículas que se crean necesariamente en una reacción que involucra muones son los neutrinos con sabor a muones. Por desgracia, la mezcla de neutrinos significa que podemos observar neutrinos muónicos en eventos que involucran solo electrones (por ejemplo, los vemos en eventos de fusión solar que solo crean neutrinos con sabor a electrones).

Firmas espectroscópicas

Los productos de desintegración de electrones y positrones tendrán su dirección y velocidad aleatorias por distribuciones de campo magnético y eléctrico interestelar. Y la mayoría de los positrones se aniquilarán en el camino.

Podríamos intentar con el espectro de neutrinos, pero (a) la baja sección transversal de neutrinos hace que sea muy difícil recolectar suficientes eventos de una fuente extrasolar para decir "estos neutrinos son de eso" mucho menos para decir "y esto es el espectro de neutrinos de la fuente", y (b) si los muones de los que provienen los neutrinos tienen movimiento relativo, la distribución se desdibujaría.

De manera similar, el muon se puede crear de tantas maneras con un conjunto tan diverso de socios que el espectro es inmanejablemente complejo.

Entonces, respuesta corta, corta, parte dos: no hay firmas claras de creación o descomposición de muones que puedan observarse a distancias astrofísicas.

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¹ En un régimen altamente relativista ($\gamma \ge 100$) es una muy buena aproximación para relacionar el factor de Lorentz con la masa$m$y energía total$E$de la partícula por

$$\gamma = \frac{E}{m} \;.$$

Las medidas que existen de la masa y el radio de las estrellas de neutrones sugieren que los muones se crean en su interior.

La mayor parte del interior de una estrella de neutrones consiste en un fluido de neutrones que está en equilibrio con una densidad numérica mucho menor de protones y electrones. Una vez que la energía de Fermi de los electrones alcanza la energía de masa en reposo de un muón, se abren canales para que los neutrones se desintegren en protones y muones o para la "muonización" directa de electrones, por ejemplo

$$\bar{\nu}_e + e \rightarrow \mu + \bar{\nu}_{\mu}$$

Las densidades requeridas para que esto suceda son aproximadamente el doble de la densidad de un núcleo atómico (alrededor de$5\times 10^{17}$kg/m3$^3$), pero tales densidades deberían alcanzarse fácilmente entre las estrellas de neutrones más masivas que se han observado y es probable que incluso en la estrella de neutrones más promedio con 1,4 masas solares (ver, por ejemplo, la influyente revisión de Douchin & Haensel 2001 , especialmente Fig.4 ).

Los muones así creados se estabilizan contra la descomposición por la presencia del gas de electrones degenerados, que no presentan estados de energía más bajos en los que pueda emerger un electrón de descomposición.

Se cree ampliamente que los rayos cósmicos se aceleran en los choques remanentes de supernova (cf. estas preguntas y respuestas mías ). Dado que la mayoría de los rayos cósmicos observados son protones, las interacciones de esos protones altamente energéticos con los protones térmicos pueden dar lugar a piones neutros o cargados:

$$p+p\to \begin{cases} p+\pi^\pm \\ p+\pi^0\end{cases}$$ Los piones cargados pueden entonces decaer en los muones: $$\pi^+\to\mu^++\nu_\mu$$ que es lo que buscas (los piones neutros se descomponen en fotones, que es lo que detecta Fermi LAT, por lo que lo ignora).

Hay un gran interés en los neutrinos en las reacciones anteriores (de ahí IceCube Obs.) en astrofísica, en lugar de los muones, pero creo que la mayoría de las fuentes de neutrinos también generarán muones. Ese puede ser un punto de partida para futuras investigaciones.