ミューオニウム

ミューオニウムとは

ミューオニウム（Muonium）は、正の電荷を持つ反ミューオン (μ+) と電子 (e−) がクーロン力によって束縛された状態を指します。これは、水素原子の陽子を反ミューオンで置き換えたものと考えることができます。ミューオニウムはエキゾチック原子の一種であり、元素記号はMuで表されます。1960年にVernon W. Hughesによって発見されました。

特徴

半減期: 約2マイクロ秒
構成粒子: 反ミューオン (μ+)、電子 (e−)
水素との類似性: ボーア半径とイオン化エネルギーが水素の同位体（プロチウム、重水素、トリチウム）と近い

ミューオニウムはポジトロニウムと同様に、粒子と反粒子から構成されていますが、反ミューオンの質量が電子よりも非常に大きいため、ポジトロニウムよりも水素原子に近い性質を持ちます。そのため、水素の同位体とみなして研究されることもあります。

ミュオニック原子との違い

負の電荷を持つミューオン (μ−) が原子核に束縛された状態は、ミュオニック原子と呼ばれ、ミューオニウムとは区別されます。

反ミュオニウム

ミューオニウムの構成粒子の電荷を入れ替えたもの、つまり負の電荷を持つミューオン (μ−) と陽電子 (e+) の束縛状態は、反ミュオニウムと呼ばれます。これは、水素と反水素のアナロジーに相当します。

名前の由来

電子と陽電子の束縛状態であるポジトロニウム (Ps) に倣って名付けられました。本来、オニウムという名称は同種の粒子と反粒子からなる束縛状態に付けられるべきでしたが、歴史的な経緯からミューオンと電子の束縛状態がミューオニウムと呼ばれるようになりました。

ミューオニウムの形成

ミューオニウムは、正ミュオンビームを金属以外の物質に注入した際に高い確率で形成されます。このとき、相手となる電子は、ミュオンビームが物質内で減速する過程で周囲の原子をイオン化することによって生成されます。

また、ケイ酸粉末や高温に熱したタングステンにミュオンを照射すると、その表面から熱エネルギー程度のミューオニウムが真空中に放出される現象が知られています。この現象は、超低速ミュオンビームを生成するための研究に応用されています。

応用

物質に注入したミュオンがミューオニウムを形成しているかどうかは、外部磁場に対する応答の違いから判別できます。ミューオニウムを形成した場合、ミュオンは軌道電子から有効磁場を受け、ミュオンスピン回転の周波数が特徴的な磁場依存性を示すのに対し、裸のミュオンは磁場に比例した周波数を示すため、区別が可能です。

ミューオニウムの超微細構造は、孤立水素原子のそれとほぼ等しく、物質中でのミューオニウムの電子状態を調べることは、同じ環境下での水素原子の電子状態を調べることに相当します。

ミュオニウム化物

ミューオニウムの半減期は2マイクロ秒と比較的長いため、いくつかのミューオニウム化合物を合成することが可能です。例えば、塩化ミューオニウム(MuCl)やミューオニウム化ナトリウム(MuNa)などが合成されています。

関連項目

ミュー粒子
異種原子
ミュオニック原子
* ミュオンスピン回転

もう一度検索