Весной 2022 года я затронул в своем блоге две нетривиальные темы из фундаментальной химии. В публикации «Из чего состоит мировой эфир. Последняя теория Менделеева» рассматривалась попытка Дмитрия Ивановича надстроить «нулевой» период над водородом, что фактически предвосхитило интуитивный поиск нейтрона. Вторая заметка, «Распад протона – невозможность 2,5 класса», была посвящена феноменальной стабильности протона, в отличие от нейтрона, который вне атомного ядра существует лишь около 10 минут. Также я касался вопроса экзотических атомоподобных систем с нулевым суммарным зарядом, самым известным представителем которых является антипротон.
Чтобы гипотетически создать элемент легче водорода, необходимо поместить в его ядро частицу, которая была бы значительно легче протона, но тяжелее электрона или позитрона — это позволило бы сформировать устойчивую электронную оболочку. Сегодня речь пойдет об уникальном объекте, открытом еще в 1960 году — так называемом «мюонии».
Особенности мюонсодержащих атомных систем
Мюоний представляет собой связанную систему из положительно заряженного антимюона и электрона. По своим химическим характеристикам он является практически полным аналогом атома водорода.
Мюоний был впервые обнаружен группой исследователей под руководством Вернона Хьюза из Национальной лаборатории Лос-Аламоса. Он возникает в результате захвата электронов антимюонами, которые рождаются в реакторах (список источников которых доступен здесь). Изначально фиксация этого процесса происходила при прохождении пучков мюонов через инертный аргон.
Поскольку антимюон заряжен положительно, он притягивает отрицательный электрон. И наоборот: отрицательно заряженный мюон способен образовать атом в паре с протоном, формируя «мюонный водород».
Будучи лептоном, мюон в 200 раз тяжелее электрона, поэтому в «мюонном водороде» он располагается значительно ближе к ядру. Тем не менее, масса мюона составляет примерно девятую часть от массы протона.
Химически мюоний выступает своего рода «легким» аналогом водорода, занимая место в самом начале нулевого периода периодической системы. ИЮПАК закрепила за ним обозначение Mu. Период полураспада мюония составляет около 2,2 микросекунды, что сопоставимо с временем жизни некоторых сверхтяжелых ядер. Этого интервала достаточно, чтобы частица успела вступить в реакции и образовать соединения, такие как хлорид мюония (MuCl) или мюонид натрия (NaMu). Научная ценность мюония неоценима как простейшей системы для изучения слабого взаимодействия, управляющего поведением электронов в атомах.
Мюоний также вступает во взаимодействие с молекулярным водородом, синтезируя мюонный дейтерий. Игорь Иванов в 2008 году предпринял попытку систематизации терминологии мюонных атомов. Опираясь на разъяснения ИЮПАК, мы приходим к интересному выводу: оба типа систем — мюоний (антимюон+электрон) и мюонный водород (протон+мюон) — в реакциях ведут себя как изотопы водорода, образуя даже молекулы типа HMu.
Более того, стоит отметить работу исследователей из Университета имени Шахида Бехешти, описывающую мюонный гелий, где орбитали вокруг альфа-частицы делят электрон и мюон — последний располагается существенно ближе к ядру.
Физика мюонных систем
Уникальность мюония (M≡μ+e−) заключается в его чисто лептонной природе: в отличие от обычных атомов, он полностью свободен от адронов (протонов и нейтронов). Лептоны являются бесструктурными фундаментальными частицами. Исследование мюония, который можно получить при облучении пучков лазером или микроволнами, позволяет изучать электромагнитное взаимодействие в «чистом виде», где энергетические уровни идеально описываются квантовой электродинамикой.
Мюонные атомы находят применение в спектроскопии, анализе сверхслабых магнитных полей и дефектоскопии полупроводников. В последнем случае антимюон при внедрении в кристаллическую решетку захватывает электрон, имитируя поведение обычного водорода. Манипулируя спином мюона, исследователи получают данные о пустующих узлах решетки, где потенциально могут скапливаться примеси. Подобные эксперименты успешно проводились IBM в кремниевых и германиевых полупроводниках, а также в структурах на основе диоксида кремния и алмазов.
Не менее интригует потенциал мюония в контексте гравитационных исследований. Будучи самой легкой нейтральной системой, состоящей из вещества (электрон) и антивещества (антимюон), он является идеальной мишенью для поиска гравитационных аномалий. Использование атомного интерферометра могло бы пролить свет на характер их гравитационного взаимодействия. Стабилизация мюония возможна при охлаждении в пористых средах, таких как мезопористый диоксид кремния.
Вопрос о том, «падает» ли антиматерия вверх, остается дискуссионным. Эксперименты с антиводородом, проведенные в 2026 году коллаборацией Alpha-G, подтвердили, что в земных условиях антиматерия подчиняется гравитации аналогично обычному веществу. Однако, учитывая крайне малую массу мюония, можно предположить, что стабилизированные облака таких атомов могли бы обладать уникальной подъемной силой, превосходящей характеристики привычных гелиевых или водородных систем.
В завершение хочу упомянуть еще более экзотический объект, логически вытекающий из теории:
Эта частица, состоящая из мюона и антимюона, представляет собой «истинный мюоний» — полностью безъядерный атом. Его масса в сотни раз меньше, чем у мюония, и на текущий момент он остается теоретической конструкцией, для создания которой могли бы потребоваться мощности электрон-позитронных коллайдеров будущего. Хотя время жизни таких систем крайне мало, их изучение открывает захватывающие горизонты для развития химии и фундаментальной физики.
