Czy czas rozpadu radioaktywnych jąder atomowych wydłuża się w akceleratorach?

Pytanie

Pyta Marcin

Czy ze względu na efekty teorii względności czas połowicznego rozpadu radioaktywnych jąder atomowych ulega wydłużeniu przy rozpędzaniu ich w akceleratorach?

Odpowiedź

Odpowiada Krzysztof Miernik

Jak najbardziej tak. Okres połowicznego rozpadu (lub inna powiązana wielkość – średni czas życia) jest podany dla układu własnego cząstki lub jądra. Jeżeli zatem np. rozpędzimy radioaktywne jądro do prędkości 0.9c (gdzie c to prędkość światła), to obserwowany w układzie laboratoryjnym okres połowicznego rozpadu będzie ponad dwukrotnie większy, zgodnie ze wzorem na dylatację czasu, czyli efektem szczególnej teorii względności. Klasycznym i bardzo spektakularnym przykładem są miony – cząstki podobne do elektronów – powstające w górnych warstwach atmosfery podczas reakcji wysokoenergetycznych protonów z promieniowania kosmicznego z tlenem lub azotem. Mion ma okres połowicznego zaniku 2.2 mikrosekundy, powstające w wymienionych reakcjach mają prędkość około 0.994c. Oznaczałoby to, że z reakcji zachodzących na wysokości około 12 000 m na powierzchni Ziemi obserwować ich będziemy bardzo mało  (2.2 mikrosekundy odpowiadają odległości około 650 m, 12 km to ponad 18 razy więcej, czyli osłabienie o 1/218). Tymczasem, biorąc pod uwagę efekt wydłużenia czasu, otrzymujemy blisko 10-krotny dłuższy obserwowany okres połowicznego rozpadu i zgodny z rzeczywistością znacznie większy strumień mionów.