В чем разница между мюонами и электронами в эксперименте?

Мюоны могут легче проникать в большее количество материала. Как правило, в большинстве детекторов существует различимая картина между мюонами и электронами. Ярким примером могут служить данные детектора Супер Камиоканде, где обнаруживается черенковский свет, исходящий от электронов/мюонов.

«Путинки» правого круга означают, что свет исходил от электрона, который рассеялся и испустил несколько фотонов тормозного излучения.

Смысл всего этого в том, чтобы показать вам, что одной лишь разницы в массе достаточно, чтобы мюон проник в гораздо больший материал, чем электрон. Это связано с тем, что (упрощенные) формулы для тормозного излучения:

или

и то и другое ускорение пропорционально КВАДРАТУ! Например, сила, приложенная к обеим частицам из материала в калориметре, одинакова (только электронное поле), но из-за разных масс электрон имеет гораздо большее ускорение, поэтому теряет больше энергии. Это, конечно, упрощено, поскольку, если вы рассчитываете это точно, вам нужно учитывать релятивистские эффекты, но интуиция та же.

Мюоны примерно в 200 раз тяжелее электронов; мюоны составляют около 100 МэВ, а электроны - около 0,5 МэВ. Из этого следует, что в то время как электрон останавливается в ECAL, мюон просто пробивает его и попадает в мюонную камеру, как показано на этом рисунке из этого поста в блоге о мюоне .

Эта цифра, однако, не должна интерпретироваться как говорящая о том, что мюоны создают огромные возмущения и отдают много своей энергии и импульса в ECAL; наоборот.

Фактически, мы можем смоделировать упругое столкновение мюона с покоящимся электроном и двух электронов, используя закон сохранения энергии и импульса, например,

$$\text{Initial muon momentum} = \text{Final muon momentum} + \text{Electron momentum}$$ и $$\text{Initial muon energy} = \text{Final muon energy} + \text{Electron energy}$$ С обычными выражениями (например, $p = mv$), мы находим, что мюон сохраняет около $99\%$его начальной скорости, $v_i$, $$\frac{v_f}{v_i} = \frac{m_\mu - m_e}{m_\mu + m_e} \approx 99\%$$ где $v_f$- его конечная скорость. Электрон, с другой стороны, не сохраняет своей скорости, $v_f = 0$, как и при упругом столкновении шаров одинаковой массы, шары просто «меняются» скоростями.

Сбор гнид:

почему только мюоны могут попадать в мюонные камеры, или почему мюоны могут попадать в мюонные камеры, но не обнаруживаются электромагнитным калориметром.

Мюоны регистрируются в электромагнитном калориметре как заряженные треки. Они не идентифицируются как мюоны и проходят через возможные адроны: протоны, заряженные каоны, пионы. Адронный калориметр обнаруживает адроны по их сильным взаимодействиям с материалом, а детектор мюонов следит за тем, чтобы проходящий трек имел только электромагнитное и слабое взаимодействия, поскольку он прошел через столько адронных масс без взаимодействия. Таким образом, он идентифицируется как мюон, исключая другие возможности и используя стандартную модель, в которой нет других заряженных слабо взаимодействующих частиц.

В этой статье подробно рассматривается вопрос о потере энергии частицами при прохождении через различные вещества . Это зависит от массы, для того же импульса, чем меньше масса, тем выше потеря энергии, как показано в других ответах.