Was ist der Unterschied zwischen Myonen und Elektronen im Experiment?

Myonen können leichter mehr Materie durchdringen. Typischerweise gibt es in den meisten Detektoren ein unterscheidbares Muster zwischen Myonen und Elektronen. Ein klares Beispiel wären Daten vom Super-Kamiokande-Detektor, wo man Cerenkov-Licht detektiert, das von Elektronen/Myonen kommt.

Die "Fuzzines" des rechten Kreises bedeuten, dass das Licht von einem Elektron kam, das gestreut wurde und einige Bremsstrahlungsphotonen emittiert hat.

Der Sinn all dessen ist, Ihnen zu zeigen, dass allein der Massenunterschied ausreicht, um das Myon dazu zu bringen, viel mehr Materie zu durchdringen als das Elektron. Dies liegt daran, dass die (vereinfachten) Formeln für Bremsstrahlung lauten:

oder

und beide sind proportional zur Beschleunigung im Quadrat! Die auf beide Teilchen ausgeübte Kraft aus dem Material im Kalorimeter ist beispielsweise gleich (nur ein E-Feld), aber aufgrund der unterschiedlichen Massen hat das Elektron eine viel größere Beschleunigung, verliert also mehr Energie. Dies ist natürlich vereinfacht, da Sie bei einer genauen Berechnung relativistische Effekte berücksichtigen müssen, aber die Intuition ist dieselbe.

Myonen sind etwa 200-mal schwerer als Elektronen; Myonen haben etwa 100 MeV, während Elektronen etwa 0,5 MeV haben. Daraus folgt, dass, während ein Elektron in der ECAL gestoppt wird, ein Myon einfach hindurch und in die Myonenkammer pflügt, wie diese Karikatur aus diesem Blogbeitrag über das Myon veranschaulicht.

Diese Zahl sollte jedoch nicht dahingehend interpretiert werden, dass Myonen eine große Störung erzeugen und einen Großteil ihrer Energie und ihres Impulses in der ECAL abgeben; ganz im Gegenteil.

Tatsächlich können wir die elastische Kollision eines Myons mit einem ruhenden Elektron und zweier Elektronen unter Verwendung der Erhaltung von Energie und Impuls modellieren, z.

$$\text{Initial muon momentum} = \text{Final muon momentum} + \text{Electron momentum}$$ Und $$\text{Initial muon energy} = \text{Final muon energy} + \text{Electron energy}$$ Mit den üblichen Ausdrücken (zB $p = mv$) finden wir, dass ein Myon ungefähr behält $99\%$seiner Anfangsgeschwindigkeit, $v_i$, $$\frac{v_f}{v_i} = \frac{m_\mu - m_e}{m_\mu + m_e} \approx 99\%$$ Wo $v_f$ist seine Endgeschwindigkeit. Ein Elektron hingegen behält nichts von seiner Geschwindigkeit, $v_f = 0$, wie bei einem elastischen Stoß zwischen Kugeln gleicher Masse, tauschen die Kugeln einfach ihre Geschwindigkeiten aus.

Nit-Picking:

warum nur Myonen zu Myonenkammern gelangen können oder warum Myonen zu Myonenkammern gelangen können, aber nicht im EM-Kalorimeter nachgewiesen werden können.

Myonen werden im elektromagnetischen Kalorimeter als geladene Spuren nachgewiesen . Sie werden nicht als Myonen identifiziert und gehen als mögliche Hadronen durch: Protonen, geladene Kaonen, Pionen . Das hadronische Kalorimeter erkennt die Hadronen anhand ihrer starken Wechselwirkungen mit dem Material, und der Myonendetektor stellt sicher, dass die durchlaufende Spur nur elektromagnetische und schwache Wechselwirkungen aufweist, da sie ohne Wechselwirkung durch so viel hadronische Masse gegangen ist. Somit wird es durch Ausschluss anderer Möglichkeiten und Verwendung des Standardmodells, das keine anderen geladenen, schwach wechselwirkenden Teilchen enthält, als Myon identifiziert.

Dieser Artikel behandelt ausführlich das Thema des Energieverlusts von Teilchen, wenn sie verschiedene Materien passieren . Dies ist massenabhängig. Bei gleichem Impuls ist der Energieverlust umso höher, je kleiner die Masse ist, wie in anderen Antworten gezeigt.