İmkansız Müonlar

İmkansız Müonlar

Her saniye, çoğu hidrojen ve helyum çekirdeğinden oluşan binlerce kozmik ışın Dünya'nın üst atmosferinin her bir metre karesine çarpar.

Onların nereden geldiğini gerçekte bilmiyoruz, ama bildiğimiz şey şu ki kozmik ışınlar atmosferdeki hava moleküllerine çarpınca temel parçacıklardan oluşan bir kozmik ışın sağanağı oluşturuyorlar: pionlar, kaonlar, pozitronlar, elektronlar, nötronlar, nötrinolar, gama ve X ışınları, ve müonlar.

Bunu biliyoruz çünkü yeryüzündeki laboratuvarlarda bu sağanaktaki parçacıkların yönünü ve enerjilerini belirleyen parçacık detektörlerimiz var. Sonra da onları orijinal kozmik ışınları çalışmak için kullanıyoruz.

Kozmik ışınlardan yeryüzüne gelen birçok müon saptamamız hakkında etkileyici bir gerçek var. Çünkü müonları laboratuvar koşullarında oluşturduğunuzda, bir elektron ya da bir pozitrona ve birkaç nötrinoya bozunmadan önce sadece 1,5 mikro saniyelik yarı ömre sahiptirler.

Ah evet, Yunan sembolü m hem "müon" hem de "mikro saniye" için kullanılır. Biraz kafa karıştırıcı olabilir ama müonların ömürleri bir mikrosaniyeye hayli yakındır, yani güzel bir rastlantı olmuş.

Yani bir grup müonunuz varsa 1,5 mikro saniye sonra elinizde sadece %50'si kalacaktır. 3 mikro saniye sonra %25'i, 10 mikro saniye sonra da ilk başta elinizde bulunan müonların sadece %0,1'i kalacaktır.

Müonlar pek de uzun yaşamazlar, ortalama ömürleri 2,2 mikro saniyedir! Bir karşılaştırma yapmak gerekirse, yeterince hızlı hareket eden ışığı düşünelim. Işık bir saniyede dünyanın etrafını 7 kere dolaşabilir, 2,2 mikro saniyede sadece 660 metre ilerleyebilir- yani bir milden daha azını. Yani müonlar ışık hızında hareket etselerdi bile birçoğu bir ya da iki kilometre yol alamadan önce bozunmuş olacaklardı. Bu mesafe de müonların atmosferin üst kesimlerinden yeryüzüne düzenli olarak kat ettiği 10, 20 ya da 30 kilometreden çok daha az.

Peki nasıl oluyor da aslında bir kilometreden daha azını kat etmesi beklenen müonlar atmosfer boyunca onlarca kilometreyi anında bozunmadan kat edebiliyorlar?

Zaman genişlemesi.

Evet, müonlar ışık hızına yakın hareket ettiklerinden dolayı, onların zamanı "kelimenin gerçek anlamıyla" daha yavaş ilerler. Işık hızının %99.5'i ile ilerlerken onlara göre 2,2 mikro saniye bize göre ~22 mikro saniyedir. Bu da bozunmadan önce ortalama bir müona, en az 6 km'yi (0,5 km'den daha fazlası) kat edecek şekilde yeterli zamanı sağlar. Daha hızlı ilerleyen yüksek enerjili müonlar bile, bozunmadan önce yeryüzündeki detektörlerimize daha kolay yakalanırlar. Işık hızının %99,995'inde ilerleyen ortalama bir müonun ömrü 220 mikro saniye olup bozunmadan önce en az 66 kilometre yol alırlar.

Yani bizim açımızdan bakınca, bunca kozmik ışın müonların yeryüzündeki detektörlerimizce yakalanması gerçeği özel görelilik ve zaman genişlemesinin direkt bir kanıtıdır.

Bir de olaya, ortalama ömürleri sadece 2,2 mikro saniye olan müonların perspektifinden bakalım. Bu görünür paradoksun cevabı da görelilikle -yani göreli uzunluk büzülmesiyle- ilgili.

Müonların perspektifinden bakarsak, ışık hızının %99,995'iyle kendisine doğru hareket eden şey Dünya ve atmosferdir. Ve hareket eden cisimlerin boyları "kelimenin gerçek anlamıyla" cismin hızına bağlı olarak belli bir oranda kısalır. Bu durum için konuşursak, 50 km'lik atmosferimiz müona göre yarım kilometredir, yani 500 metre kalınlığındadır. 2,2 mikro saniyelik ömrü olan bir müonun bile karşıya ulaşması için yeterli bir incelik. Bu açıdan bakılınca atmosfer ve yeryüzü müona doğru hareket eder. Ama 300 metre/mikrosaniye'lik bir hız ve 500 metrelik bir uzaklık ele alındığında müon bozunmadan önce yeryüzünün ona ulaşmasında hiçbir problem yoktur.

Bana kalırsa bu, özel göreliliğe yönelik en harika deneysel doğrulamalardan biri.

Işık hızına yakın hızlarda hareket eden cisimlerdeki net bir zaman genişlemesi, ya da perspektifinize göre uzunluk büzülmesi. Bahsettiğim spesifik zaman genişlemesi ya da uzunluk büzülmesi faktörleri, zaman genişlemesi ve uzunluk büzülmesi formülleri kullanılarak hesaplanabilir. Bir kez nasıl kullanacağınızı öğrenince herhangi bir hıza uygulayıp uzunlukta ve zamanda hangi oranda bir bozulma olduğunu görebilirsiniz.

Destek Olun

Bu video, MinutePhysics tarafından hazırlanmış, Evrim Ağacı tarafından altyazılandırılmıştır. Eğer içeriği beğendiyseniz orijinal kaynağa destek olmak için, lütfen YouTube kanalına gidip videolarını beğenmeyi unutmayın.

MinutePhysics kanalının bu videosunu orijinal dilinde ve İngilizce alt yazılı olarak buradan seyredebilirsiniz: