I muoni, questi sconosciuti

Inviato da  MM87 il 11/12/2011 16:34:19
Ho scritto da un'altra parte che le maggiori prove della relatività le fornisce la fisica delle particelle elementari. Può sembrare sorprendente a chi abbia sentito dire che la relatività e la meccanica quantistica non siano conciliabili tra di loro, ma dato che quest'affermazione è falsa va da sé che la teoria della meccanica quantistica relativistica dovrebbe poter fornire delle giustificazioni a diversi fenomeni. Adesso presenterò un classico esempio di "predizione" della teoria della relatività applicata alla fisica delle particelle, ma fornendo solo i dati sperimentali senza dare la spiegazione "relativistica".

Esistono delle particelle elementari, o perlomeno ad oggi non siamo riusciti a romperle , chiamate muoni, indicati dalla lettera greca µ. I muoni sono di due tipi, dotati di carica elettrica positiva e negativa, esattamente come gli elettroni si presentano con carica elettrica positiva e negativa. Dato che gli elettroni con carica elettrica negativa sono quelli che vediamo comunemente in giro, si dice che gli elettroni con carica positiva - i "positroni" - sono le antiparticelle degli elettroni "normali", o semplicemente "elettroni": allo stesso modo i muoni negativi sono le particelle e i muoni positivi sono le antiparticelle: è semplicemente una convenzione. A parte la carica elettrica e qualche altra "carica" di cui non parlerò per semplicità, muoni e antimuoni hanno le stesse proprietà: ad esempio hanno la stessa identica massa, pari a circa 200 volte quella dell'elettrone. Potete pensare ai muoni come a degli elettroni sovrappeso.

I muoni e gli antimuoni decadono. Che vuol dire? Essenzialmente che un muone, un pò dopo la sua "nascita", "muore" emettendo altre particelle (elettroni e neutrini, per l'esattezza). Quanto vive? Beh, non vivono tutti la stessa quantità di tempo. Immaginate di produrre un muone, fermo, senza nient'altre particelle vicino, aspettare che decada e misurare quanto tempo ci ha messo, dopodiché ripetere un pò di volte questa operazione. Si otterrà una serie di tempi del genere:

t1=1.5 microsecondi (µs)
t2=0.4 µs
t3=3.7 µs
t4=0.5 µs
t5=1.1 µs
...

Tutto ciò per dire che i muoni, da fermi, decadono in media in 2.2 µs. Adesso però si supponga di poter produrre muoni in movimento con una ben precisa energia cinetica: il "come" è un'altra questione, immaginate di saperlo fare (ad esempio li si può accelerare rapidamente con una differenza di potenziale elettrico). Questi muoni andranno in una certa direzione ad una certa velocità e dopo un pò decadranno: a questo punto si rimisurano i tempi di prima. Si ottiene una cosa così:

t1'= 157 µs
t2'= 95 µs
t3'=19 µs
t4'=44 µs
t5'=85 µs
...

La media che si trova in questo caso è 80 µs, ovviamente incompatibile con il risultato di prima. A questo punto la domanda è: come è possibile giustificare i risultati di questo esperimento - senza usare la teoria della relatività? Per me è una bella sfida, non mi viene in mente niente. Ma sicuramente qualche utente di Luogocomune ha più fantasia di me e gli può venire in mente qualcosa...

Il problema non è del tutto campato in aria: i muoni vengono prodotti nell'alta atmosfera (~100 km dalla superficie) dalle collisioni tra gli atomi dell'atmosfera e il vento solare. Se vivono così poco, come fanno ad arrivarne così tanti a terra?

(nota irrilevante per il problema: la meccanica quantistica relativistica spiega sia perché i muoni in movimento campano di più, sia perché ci mettono in media 2.2µs a decadere da fermi, permette anche di calcolare la velocità dei muoni decaduti, permette di calcolare energie, impulsi e velocità delle particelle in cui decadono i muoni... permette di fare un sacco di cose. Naturalmente torna tutto con gli esperimenti.)

Re: I muoni, questi sconosciuti

Inviato da  ivan il 11/12/2011 18:23:06
Allora, i muoni si formano per interazioni dei raggi cosmici con gli stati alti dell'atmosfera.

Se si suppone che essi si formino ad un'altezza dicamo di circa 10 km di altezza poichè essi viaggiano ad una velocità quasi uguale a quella della luce dovrebebro impiegare circa 3 · 10^−5 secondi per percorrere quei dieci chilometri e raggiungere così la superficie terrestre e finire diritti dritti nei nostri rivelatori di paricelle elementari.

Si dimostra però che i muoni decadono in 1,52 · 10^−6 secondi, ossia in un tempo circa 20 volte inferiore a quello a loro necessario per percorrere 10 km di atmosfera; quindi nessun muone dovrebbe riuscire a raggiungere il suolo prorpio perchè non vive abbastanza a lungo per percorrere per intero l'atmosfera.

Ma si dimostra anche che i muoni giungono copiosi fin quaggiu' sulla superficie del nostro amato pianeta nonostante la loro effimera esistenza.

La dilatazione del tempo nel frame muonico diventa allora la spiegazione di questo fenomeno.

Qui un link illustrativo.

Re: I muoni, questi sconosciuti

Inviato da  MM87 il 11/12/2011 18:36:54
Citazione:

ivan ha scritto:
Allora, i muoni si formano per interazioni dei raggi cosmici con gli stati alti dell'atmosfera.

Se si suppone che essi si formino ad un'altezza dicamo di circa 10 km di altezza poichè essi viaggiano ad una velocità quasi uguale a quella della luce dovrebebro impiegare circa 3 · 10^−5 secondi per percorrere quei dieci chilometri e raggiungere così la superficie terrestre e finire diritti dritti nei nostri rivelatori di paricelle elementari.

Si dimostra però che i muoni decadono in 1,52 · 10^−6 secondi, ossia in un tempo circa 20 volte inferiore a quello a loro necessario per percorrere 10 km di atmosfera; quindi nessun muone dovrebbe riuscire a raggiungere il suolo prorpio perchè non vive abbastanza a lungo per percorrere per intero l'atmosfera.

Ma si dimostra anche che i muoni giungono copiosi fin quaggiu' sulla superficie del nostro amato pianeta nonostante la loro effimera esistenza.

La dilatazione del tempo nel frame muonico diventa allora la spiegazione di questo fenomeno.

Qui un link illustrativo.


Tutto giusto, più o meno, ma è una spiegazione che si basa sulla fede nella relatività ;p

La mia domanda è: qualcuno ha mai provato (o vuole provare ora) a spiegare questo fenomeno senza usare la relatività?

Re: I muoni, questi sconosciuti

Inviato da  ivan il 11/12/2011 19:58:40
Ho solo cercato di illustrare meglio il problema allegando anche il link ad un simulatore.

Ai fini di una maggiore chiarezza del problema proposto ecco un un link ad un pdf molto chiaro: link 2 paginette pdf .

Re: I muoni, questi sconosciuti

Inviato da  sever il 14/12/2011 18:21:57
Per MM87:

Cit: La media che si trova in questo caso è 80 µs, ovviamente incompatibile con il risultato di prima. A questo punto la domanda è: come è possibile giustificare i risultati di questo esperimento - senza usare la teoria della relatività? Per me è una bella sfida, non mi viene in mente niente. Ma sicuramente qualche utente di Luogocomune ha più fantasia di me e gli può venire in mente qualcosa...

Il problema non è del tutto campato in aria: i muoni vengono prodotti nell'alta atmosfera (~100 km dalla superficie) dalle collisioni tra gli atomi dell'atmosfera e il vento solare. Se vivono così poco, come fanno ad arrivarne così tanti a terra?


Come da me detto in altri topic, le soluzioni sono semplici se si vuole usare l'analogia e, quindi, senza ricorrere a concetti che possono risultare astrusi per i non addetti ai lavori come me e come tanti altri che frequentano questo forum.

Prendiamo in considerazione gli esseri umani. Oggi si dice che la vita media per il maschio italiano è di 81 anni. C'è chi campa 79 e chi campa 83, chi campa 78 e chi 84 e via di seguito. Però ci sono delle eccezioni. Ci sono persone che campano anche 100-105-110 anni! I muoni che arrivano a toccare terra appartengono al tipo super longevo! Forse perchè hanno seguito la dieta mediterranea!

Se poi riusciamo a guardarli meglio da vicino, magari ci accorgiamo che non sono muoni, ma muone, perchè si sa che le femmine sono ancora più longeve dei maschi.

Come si può vedere non è stato affatto necessario tirare in ballo la teoria della relatività. Le cose, a ben riflettere, sono molto più semplici di quanto non riusciamo ad immaginare.

Re: I muoni, questi sconosciuti

Inviato da  rekit il 14/12/2011 19:46:16
la vera domanda alla quale non riesco proprio a dare una rispoosta e' : perche' sto leggendo questo thread?!?!

Scherzo dai....ma anche voi che pippe vi fate?
il buon vecchio youporn e' chiuso?

Re: I muoni, questi sconosciuti

Inviato da  sever il 15/12/2011 12:12:33
Ho voluto scherzare un po', ma il concetto che volevo esprimere in maniera semplice e scherzosa è questo: non esistono in natura due cose identiche. Impossibile trovare due uomini identici, lo stesso vale per qualsiasi essere del mondo animale o vegetale e così via.

Quindi, impossibile che esistano due particelle identiche, quindi che abbiano la stessa durata di "vita". Da qui deriva l'impossibilità che due atomi, due muoni o due elettroni possano essere uguali.

La varietà è legge di natura e il mondo subatomico fa parte della natura.

Servendomi sempre della legge delle corrispondenze o delle analogie mi permetto di asserire che non possono esistere particelle elementari. L'elettrone è anch'esso una particella composta, come l'atomo che un tempo si credeva indivisibile.

Come arrivo a sostenere quanto sopra? Confrontando il sistema atomico con il sistena solare. Come gli elettroni girano attorno al nucleo, così i pianeti girano attorno al loro nucleo, il Sole. I pianeti sono macro elettroni. La Terra è un macro elettrone. Ci risulta forse che il pianeta Terra sia fatto solo di acqua o solo di roccia o solo di metallo? Non è forse un miscuglio di diverse sostanze?

Gli elettroni sono i pianeti degli atomi e come tali non possono essere particelle elementari, ma composte, esattamente come la Terra.

Se fossimo in grado di ingrandirli di miliardi di volte, potremmo vedere gli uomini che vi abitano!

Re: I muoni, questi sconosciuti

Inviato da  MM87 il 15/12/2011 22:21:51
Citazione:

rekit ha scritto:
la vera domanda alla quale non riesco proprio a dare una rispoosta e' : perche' sto leggendo questo thread?!?!

Scherzo dai....ma anche voi che pippe vi fate?
il buon vecchio youporn e' chiuso?


C'è un diverso e sottile piacere nel farsi questo tipo di pippe
Eppoi "la matematica sta alla fisica come la masturbazione sta al sesso" (cit. Feynman)

@Sever "non esistono due particelle identiche". In realtà sì, ed è una affermazione basata sui fatti. L'indistinguibilità di coppie di particelle dello stesso tipo dà vita a fenomeni affascinanti come, ad esempio, il principio di esclusione di pauli e la superfluidità. Se fossero distinguibili, anche in linea di principio, tutti questi fenomeni non potrebbero avvenire.

Tornando ai muoni: non è così semplice come la metti, ed è ovvio anche accettando il fatto che alcuni muoni abbiano una propria "vita naturale" più lunga di altri. Perché quando prendo un mucchio di muoni fermi, là in mezzo ci sono pochissimi muoni con "vita naturale" lunga? Viceversa, perché se i muoni vanno veloci ci sono pochissimi muoni con "vita naturale" breve? Se vuoi ti posso dare anche dei numeri:

* Muoni fermi: la frazione di muoni che vivono più di 10 µs è pari all' 1%.
* Muoni in movimento: la frazione di muoni che vivono meno di 10 µs è pari al 12%.

Evidentemente la somma delle due non fa 100%, quindi c'è qualcosa che cambia tra le due situazioni: la frazione di muoni con una certa vita media cambia in funzione della loro velocità. Perché?

Re: I muoni, questi sconosciuti

Inviato da  ivan il 15/12/2011 22:32:39
Magari perchè sono particelle cariche che muovendosi irradiano, come fanno tutte le particelle cariche .

In ogni caso c'è sempre il solito problema di on ambiguità delle cose per come sono esposte: dov'era/cos'era il muone prima di nascere ? E quando muore cosa diventa , in cosa si trasforma ? E i dettagli sperimentali dove sono ? Chi ha detto che tutti i muoni nascono a 100 km di altezza e non a dieci o a uno ? Dove sono le misure di velocità dei muoni appena nati ? E perchè in questi tipi di esperimenti leggiamo solo di numero di muoni misurati a livelli di altitudine diversa e non di loro velocità?

Re: I muoni, questi sconosciuti

Inviato da  MM87 il 16/12/2011 13:24:44
Citazione:

ivan ha scritto:
Magari perchè sono particelle cariche che muovendosi irradiano, come fanno tutte le particelle cariche .

Le particelle cariche irradiano solo se sono accelerate: se vanno di moto rettilineo uniforme non irradiano. I muoni di questo esperimento mentale non irradiano perché vanno dritti a velocità costante.

Citazione:

In ogni caso c'è sempre il solito problema di on ambiguità delle cose per come sono esposte: dov'era/cos'era il muone prima di nascere ? E quando muore cosa diventa , in cosa si trasforma ? E i dettagli sperimentali dove sono ? Chi ha detto che tutti i muoni nascono a 100 km di altezza e non a dieci o a uno ? Dove sono le misure di velocità dei muoni appena nati ? E perchè in questi tipi di esperimenti leggiamo solo di numero di muoni misurati a livelli di altitudine diversa e non di loro velocità?


Dato che questo è un esperimento mentale e i dati me li invento io - ma corrispondono moralmente alla realtà ;) - provvedo subito ad eliminare ogni possibile ambiguità.

1) I muoni, in entrambe le situazioni, stanno fermi o viaggiano nel vuoto. In pratica non è vero, ma basta che il mezzo sia sufficientemente rarefatto per poter trascurare l'interazione con gli atomi circostanti. Da cosa nascono i muoni è ininfluente: supponi di avere a disposizione una macchinetta capace di generare muoni fermi oppure in movimento con una velocità fissata. I modi per fare i muoni in laboratorio esistono, ma comportano una complicazione inutile a questo esperimento mentale (di solito si fanno decadere in volo dei pioni)
2) Decadono sempre in un elettrone e due neutrini, di energie variabili caso per caso.
3) È un esperimento mentale, se ci fossero dettagli sperimentali rilevanti li avrei detti. Dato che questa è una caratteristica dei muoni - e non dell'apparato sperimentale - è ininfluente conoscere come rilevo i muoni... se vuoi puoi far finta di avere un apparato (a occhio direi un calorimetro elettromagnetico) per il rilevamento degli elettroni provenienti dal decadimento dei muoni fermi e un altro apparato (al silicio, una camera a fili, a drift o proporzionale, quello che ti pare) per la misura della traccia e del tempo di volo dei muoni in movimento.
4) Quello dei 100km di altezza è un altro esperimento. Nel MIO esperimento i muoni o stanno fermi nel vuoto (primo caso) o viaggiano orizzontali, sempre nel vuoto, a velocità costante. La velocità la monitori, che ne so, misurando ogni 10 metri la posizione e l'istante in cui il muone passa da là con le cose che dicevo prima.
5) Perché la realtà è più complicata di come l'ho messa io, e misurare solo i conteggi è più facile. Nella realtà i muoni hanno un certo range di energie (tra qualche GeV e centinaia di GeV, mi pare. L'ho visto un paio d'anni fa, visto che a laboratorio mi ero occupato proprio di una misura sui muoni) e quindi le probabilità di decadimento variano a seconda dell'energia. Sommando tutti i contributi si può stimare la distribuzione dei tempi di decadimento dei muoni cosmici e ottenere una curva di decadimento che non è proprio esponenziale (come nel caso di muoni monocromatici) ma è modulata dalla distribuzione in energia. Il principio però non cambia, e - ripeto - è ininfluente ai fini dell'esperimento mentale che ho proposto io. Cerchiamo di tenere la discussione semplice, ok?

Re: I muoni, questi sconosciuti

Inviato da  sever il 29/1/2012 11:15:22
In relazione alla mia affermazione sull'impossibilità che possano esistere due particelle uguali, quindi anche due elettroni uguali, vedi post 7, ecco quanto scrive Massimo Corbucci sul suo libro "Alla scoperta della particella di Dio", pag. 35: "Gli ELETTRONI hanno differente GRANDEZZA e differente MASSA".

La mia era un'ipotesi, derivata dall'osservazione e dalle analogie fra gli elettroni e i pianeti del Sistema solare, mentre le affermazioni di Corbucci derivano dai suoi studi e intuizioni, quasi di natura meta-fisica.

Pare che sia preso in seria considerazione dal mondo scientifico...

Re: I muoni, questi sconosciuti

Inviato da  TWNP il 30/1/2012 15:39:59
Si potrebbe anche dire che il muone ci mette in media 1,5
microsecondi ad attraversare lo stargate che lo porta sulla
terra...
In questa ipotesi, il muone ha sempre la stessa durata media
di decadimento ed è lo spazio che perde significato.
La velocità diventa una misura ingannevole, in realtà misura
l'energia impressa alla particella, energia che le permette di
"bucare" lo spazio.
Quindi, nessuna dilatazione del tempo ma perturbazione dello
spazio.
E' sempre una questione di punti di vista RELATIVI...



P.S.: anche perchè il tempo, come dimostra la quantistica, non
esiste.
Dunque, come può dilatarsi?


Re: I muoni, questi sconosciuti

Inviato da  sever il 30/1/2012 17:55:36
Secondo Corbucci il mondo della fisica è in fibrillazione, perchè quanto diceva Aristotele, e cioè che i corpi reagiscono alla gravità in base alla loro composizione chimica, si è rivelato esatto, anche se gli scienziati questa affermazione la bollavano come assurda.

E' stato dimostrato che una palla di alluminio cade più velocemente di una corrispondente palla di piombo, contrariamente a quanto si dogmatizzava prima. Aveva ragione il bistrattato Aristotele!

Questo per dire che bisogna andarci cauti con quanto la scienza "afferma" e che è meglio dare più ascolto all'intuito.

Oltre a Corbucci, che sostiene la differenza tra gli elettroni, anche Aristotele sosteneva che le particelle elementari non esistono, perchè queste sono a loro volta formate da altre particelle e ciò all'infinito. Vuoi vedere che si dimostrerà vero anche questo?

Si vestiranno di sacco i dogmatici?

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