Los muones y la dilatación del tiempo

La dilatación del tiempo que predice la teoría de la relatividad especial es un fenómeno que se puede verificar con diversos experimentos. El primero de ellos fue realizado por Rossi y Hall en 1941, utilizando unas partículas, llamadas muones, descubiertas en 1936, que aparecen en la atmósfera cuando sobre ella inciden los rayos cósmicos de alta energía procedentes del exterior.

¿Qué son los muones?

Según la física de partículas la materia está formada por unas partículas que denominamos fermiones, entre las que distinguimos dos tipos, los quarks y los leptones. Entre los leptones encontramos el electrón, el muón y el tauón y sus tres neutrinos (electrónico, muónico y tauónico), además de sus correspondientes antipartículas (el positrón, el antimuón, el antitauón y tres antineutrinos).

Los muones son, por tanto, leptones “de segunda generación” con carga negativa, y con una masa unas 207 veces mayor que la del electrón. Su símbolo es µ. Se pueden producir muones por la colisión de la radiación cósmica con átomos a grandes alturas de la atmósfera:

o_rayos

La desintegración de los muones

Los muones  al desintegrarse generan, normalmente,  un electrón, un antineutrino electrónico y un neutrino muónico:

Paarerzeugung

Cuando se estudia la desintegración muónica (decaimiento muónico), el tiempo de vida medio es de 2’2 μs. La velocidad a la que se mueven en la atmósfera es cercana a la de la luz, por lo que pueden desplazarse unos 660 metros antes de desintegrarse. En consecuencia, es improbable que lleguen a la superficie terrestre desde la grandes alturas de la atmósfera en donde se producen.

Experimento de Rossi-Hall

En el experimento original llevado a cabo por Rossi y Hall, en 1941, se registraron un promedio de 563 muones/hora a una altura de 2.000 metros, y se detectaron unos 400 muones/hora a nivel del mar. Teniendo en cuenta el tiempo de vida media y la velocidad de los muones se esperaban unos 25 muones/hora en la superficie terrestre. ¡Se encontraron muchísimos más muones de los esperados!

El fenómeno de la dilatación del tiempo explica este efecto. Mientras que para un observador ligado al muón el tiempo de vida media es un tiempo propio, para un observador en la superficie terrestre el tiempo entre la formación y la desintegración del muón será mayor. Suponiendo una velocidad de 0’995·c, el tiempo se multiplica por 10:

muones-velocidad

En estas condiciones, la distancia que son capaces de recorrer antes de desintegrarse resulta ser de 6.600 metros, lo que significa que, bajo los supuestos relativistas, la mayor parte de los muones sí pueden alcanzar la superficie terrestre antes de que decaigan en otras partículas.

Experimentos más sofisticados y precisos llevados a cabo con posterioridad (alguno de ellos en el CERN) confirmaron este experimento y llegaron a determinar que la vida media de los muones en movimiento llegaba a ser aproximadamente 30 veces más que la de un muon inmóvil.

La sorprendente dilatación del tiempo predicha por la relatividad queda confirmada.

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