問題 25

ミューオン。ミューオン（

\mu

）は電子と同じ電荷と磁気的性質を持つが質量が異なるレプトンで、不安定で数マイクロ秒で崩壊する。二つの異なる方法でミューオンの質量を求めよ。(a) 最も一般的な自発崩壊は

\ce{\mu- -> e- + \bar{\nu}_e + \nu_{\mu}}

。静止したミューオンを使った実験で、2個のニュートリノが合計

2.000\times10^{-12}

J のエネルギーを持ち去り、電子の運動エネルギーは

1.4846\times10^{-11}

J であった。ミューオンの質量を求めよ。（

m_e = 9.109\times10^{-31}

kg,

c = 2.998\times10^{8}

m s

^{-1}

。）(b) 電子の代わりにミューオンを持つエキゾチック原子は様々な励起状態で生成される。

\ce{^1H}

原子核にミューオンが結合した原子で、第3励起状態から第1励起状態への遷移が波長 2.615 nm で観測された。換算質量補正を含む Bohr 模型でミューオンの質量を求めよ。（

E_n = -109700\ \mathrm{cm}^{-1}\times hc\times\mu/m_e \times 1/n^2

、

\mu = m_\mu m_H/(m_\mu + m_H)

；

m_H = 1.673\times10^{-27}

kg。）

ステップ 1/3: 崩壊エネルギーから質量へ

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m_\mu c^2 = m_e c^2 + T_e + E_{\nu} \;\Rightarrow\; m_\mu = \frac{m_e c^2 + 1.4846\times10^{-11} + 2.000\times10^{-12}}{c^2} = 1.883\times10^{-28}\ \text{kg}

分析

静止ミューオンでは静止エネルギーがすべて電子の静止＋運動エネルギーとニュートリノのエネルギーに変わる: $m_\mu = m_e + (T_e + E_\nu)/c^2 = 9.109\times10^{-31} + 1.6846\times10^{-11}/(2.998\times10^8)^2 = 1.883\times10^{-28}$ kg ≈ 207 $m_e$ 。