Wie können Myonen schneller als Licht durch Eis reisen?

Das Erste, was man verstehen muss, ist, dass sich Licht in einem materiellen Medium langsamer bewegt als in einem Vakuum . Das Verhältnis der Geschwindigkeit im Vakuum zur Geschwindigkeit im Material wird als "Brechungsindex" des Materials bezeichnet.

Nur die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum stellt die kosmische Geschwindigkeitsgrenze dar.

Die Myonen bewegen sich nicht schneller als „Lichtgeschwindigkeit“, sie bewegen sich schneller als „Lichtgeschwindigkeit im Eis“, was erlaubt ist.

Zweitens die$106 \,\mathrm{MeV/c^2}$ist nicht die Ladung des Myons, sondern seine Masse. Die Ladung eines Myons ist die gleiche wie die eines Elektrons:$e = 1.602 \times 10^{-19}\,\mathrm{C}$.

Es ist die Masse des Myons, die die Auswirkungen elektrischer Wechselwirkungen verringert und sie weit in dichte Materie eindringen lässt. Außerdem zerfallen Myonen so schnell, dass sie, wenn sie sich nicht mit relativistischen Geschwindigkeiten bewegen, nicht lange genug bestehen, um irgendetwas zu beeinflussen. Ein Myon hat also einen enormen Impuls im Vergleich zu Photonen oder Elektronen.

Myonen sind identisch mit Elektronen, einschließlich ihrer Ladung und "Größe", haben aber die 1000-fache Masse. Mit einer riesigen Masse, die sich mit relativistischer Geschwindigkeit bewegt, zucken sie mit den Schultern von elektrischer Ladung oder magnetischen Wechselwirkungen, die ein Elektron oder Photon stoppen würden.

Bild mit zwei Tischtennisbällen, einer voller Luft mit nur der Masse der Plastikhülle, der zweite mit Blei gefüllt. Sie zielen mit beiden Bällen auf einen Rohr- oder Schilfbestand. Die Luft füllte Sie werfen mit der Hand. Das Blei gefüllt, feuern Sie aus der Kanone. Wer wird weiter durch die hinderlichen Halme reisen?

Licht/Photonen, die sich durch jedes Medium außer Vakuum bewegen, interagieren mit den elektrischen und magnetischen Feldern des Mediums und werden absorbiert und dann wieder emittiert. Da Photonen keine Masse haben, werden sie leicht durch umgebende elektrische und magnetische Felder in gewöhnlicher Materie beeinflusst und verzögert. Myonen haben eine Masse, viel davon im Vergleich zu atomaren Teilchen, und sie bewegen sich im Vakuum immer nahezu mit Lichtgeschwindigkeit, unabhängig davon, in welchem ​​​​Medium sie sich bilden oder durchqueren.

Cherenkov-Strahlung kann als eine Art Stoßwelle betrachtet werden, die erzeugt wird, wenn das Myon oder ein anderes Teilchen die umgebenden elektrischen und magnetischen Felder in einem Medium komprimiert, bis sie Photonen bilden. Es wurde mit der sichtbaren Stoßwelle verglichen, die von Flugzeugen erzeugt wird, die die Schallmauer in feuchter Luft durchbrechen. Durch die Kompression kondensiert die Umgebungsfeuchtigkeit zu einem sichtbaren Nebel.

Der Brechungsindex ist eine elektronische Eigenschaft, die direkt von der elektrischen Dielektrizitätskonstante des Mediums und letztendlich von der freien Elektronendichte abhängt. Mit zunehmender Energie des Photons nehmen die Wechselwirkungen mit den Elektronen ab, so dass Röntgenstrahlen kaum gebremst, aber von den Elektronen der Atome gestreut werden. Natürlich liegt die Cerenkov-Strahlung im optischen Bereich und wird daher durch das Eis durch den Brechungsindex gebremst.

Der Nettoeffekt besteht darin, dass sich Licht im Eis mit c/n ausbreitet; für Eis n = 1,3, also legt es Licht in Eis etwa 3/4 c zurück.

Die Myonen entstehen im Eis, wenn ein hochenergetisches Neutrino absorbiert wird. Die Myonen, die sich schneller als 3/4 c bewegen, erzeugen die Cerenkov-Strahlung; Die langsameren erzeugen nur Ionenspuren und nicht die optischen Stoßwellen.

Alle Myonen interagieren mit geladenen Teilchen, was zu Ihrer Frage führt, warum sie sich im Eis schneller bewegen als Licht, was zu Cerenkov-Strahlung führt. Da sich diejenigen, die Cerenkov-Strahlung erzeugen, mit relativistischen Geschwindigkeiten fortbewegen, verringert dies den effektiven Wirkungsquerschnitt für die Streuung. Sie sehen kaum die Elektronenwolken, sondern Streuungen des Kerns.

Für diejenigen, die neugierig sind, warum das Licht im Eis langsamer wird, habe ich meine vorherige Antwort auf diese Frage wiederholt:

Transparente Materialien (Glas, Luft) übertragen Bilder; Wenn das Bild verzerrt oder undeutlich ist, wissen wir, dass das Material die Kohärenz der optischen Information verändert. Das heißt, was am Anfang begonnen hat, ist nicht gleichzeitig angekommen. Bei ausreichender Verzerrung geht das Bild vollständig verloren.

Was ist also erforderlich, damit ein transparentes Medium ein Bild erfolgreich übertragen kann? Da Licht eine physikalische Welle ist, muss das transparente Medium die Kohärenz der Phaseninformation des Lichts bewahren. In einem typischen Glas wird die Phasenfront leicht verlangsamt, während sie durch das Glas wandert; diese Verlangsamung ist im Brechungsindex kodiert,$n = c/v$.

Wenn das Material einige Frequenzen absorbiert, erscheint das Material gefärbt; ein absorbiertes Photon (abhängig von der Energieniveaustruktur) kann erneut emittiert werden, aber dies wird (a) eine zufällige Zeit später und (b) in einer zufälligen Richtung sein. Kein Bild für diese Farbe! Es gibt eine Ausnahme: die stimulierte Emission, die der Schlüssel zum Bau eines Lasers ist. Aber so werden Bilder nicht in einem passiven Material übertragen.

Der Prozess, der Bilder überträgt, kann als Coherent Forward Scattering zusammengefasst werden: Kohärent, weil sonst die Bildintegrität verringert wird; Vorwärts, weil das Bild in dieser Richtung durch das Material übertragen wird; und Streuung, der verbleibende verfügbare verallgemeinerte Mechanismus auf der Quantenebene.

Das Ergebnis ähnelt dem Wavelet-Modell von Huyghen für die Lichtübertragung: Die Photonen sind die Wellen, die kohärent gestreut werden, und weil sie kohärent sind, können sie sowohl konstruktiv als auch destruktiv interferieren, um die Kohärenz der gesamten Phasenfront aufrechtzuerhalten.

Es ist die Interferenz, die die Phasengeschwindigkeit durch das Material verlangsamt; die einzelnen Photonen „bewegen“ sich weiterhin mit Lichtgeschwindigkeit,$c$, aber die effektive Bewegung der Phasenfront wird verlangsamt.

Richard Feynman widmet dem einige Zeit in seinen Vorlesungen über QED: The Strange Theory of Light and Matter