Мюони
 
а б в г д е ж з и й к л м н о п р с т у ф х ц ч ш щ ъ ы ь э ю я
 

Мюони

Мюони (стара назва — m-мезоні), нестабільні елементарні частки з спином 1 / 2 , часом життя 2,2×10 -6 сік і масою, приблизно в 207 разів що перевищує масу електрона. Існують позитивно заряджені (m + ) і негативно заряджені (m - ) М., що є часткою і античасткою по відношенню один до одного. М. відносяться до класу лептонів, тобто беруть участь в електромагнітних і слабких взаємодіях і не беруть участь в сильних взаємодіях .

загрузка...

  Відкриття мюонів і їх джерела. М. були вперше виявлені в космічних променях в 1936 американськими фізиками До. Андерсоном і С. Неддермейером. Спочатку М. намагалися ототожнити з часткою, яка, згідно з гіпотезою японського фізика Х. Юкави, є переносником ядерних сил. Проте така частка повинна була інтенсивно взаємодіяти з атомними ядрами, тоді як дослідні дані показували, що М. слабо взаємодіє з речовиною. Цей «парадокс» був дозволений в 1947 після відкриття пі-мезона (p), що володіє властивостями частки, передбаченою Юкавой, і що розпадається на М. і нейтрино .

Основним джерелом М. в космічних променях і на прискорювачах заряджених часток високих енергій є розпад p-мезонів (піонів), а також До-мезонів (каонов), що інтенсивно народжуються при зіткненнях сильно взаємодіючих часток (адронів), наприклад протонів (р) з ядрами:

  p + (K + ) ® m + + n m ,      (1, а)

(тут n m ,  — мюонні нейтрино і антинейтрино). Ін.(Древн) джерела М. — народження пар m + m - фотонами (g) високих енергій, електромагнітні розпади мезонів типа  r ® m + + m - , так звані лептонні розпади гіперонів, наприклад L° ® р + m + n m і т. д. — грають, як правило, значно меншу роль.

  В космічних променях на рівні моря М. утворюють основну компоненту (~80%) всіх часток космічного випромінювання. На сучасних прискорювачах заряджених часток високої енергії отримують пучки М. з інтенсивністю 10 5 —10 6 часток в сік .

  Спин n m , що виникає при розпадах (1, а), орієнтований проти напряму свого імпульсу, а спин  від розпадів (1, би) — по напряму імпульсу. Звідси на підставі законів збереження імпульсу і моменту кількості руху витікає, що спин m + , що народжується при розпаді p + або К + , направлений проти його імпульсу, а спин m - — у напрямі імпульсу (див. мал. ).

  Тому М. залежно від кінематичних умов їх освіти і енергетичного спектру піонів і каонов виявляються частково (або повністю) поляризованими у напрямі імпульсу (m - ) або проти нього (m + ).

  Взаємодія мюонів. Слабкі взаємодії М. викликають їх розпад за схемою:

(де е + , е - , n e ,  — позитрон, електрон, електронні нейтрино і антинейтрино відповідно); ці розпади і визначають «час життя» М. у вакуумі. У речовині m - «живе» менше: зупиняючись в речовині, він притягується позитивно зарядженим ядром і утворює так званий мюонний атом, або m- мезоатом, — систему, що складається з атомного ядра, m - і електронної оболонки. У мезоатомах завдяки слабкій взаємодії може відбуватися процес захвату m - ядром:

  m - + Z A ® Z-1 B + n m

(де Z — заряд ядра). Цей процес аналогічний К- захвату електронів ядром і зводиться до елементарного взаємодії

  m - + p ® n + n m

(де n — нейтрон). Вірогідність захвату m - ядром зростає для легких елементів пропорційно Z 4 і при Z » 10 порівнюється з вірогідністю розпаду m - . У важких елементах «час життя» m, що зупиняються, - визначається в основному вірогідністю їх захвату ядрами і в 20—30 разів менше їх «часу життя» у вакуумі.

  Із-за незбереження просторовою парності в слабкій взаємодії при розпаді (2, а) позитрони вилітають переважно у напрямі спину m + , а електрони в розпаді (2, би) — переважно в напрямі, протилежному до спину m, - (див. мал. до ст. Слабкі взаємодії ). Тому, вивчаючи асиметрію вильотів електронів або позитронів в цих розпадах, можна визначити напрями спинів m - і m + .

  Сучасні дослідні дані показують, що у всіх відомих взаємодіях М. бере участь в точності так само, як електрон (позитрон), відрізняючись від нього лише своєю масою. Це явище називається m — е-універсальністю. В той же час М. і електрон відрізняються друг від друга деяким внутрішнім квантовим числом, і така ж відмінність має місце для відповідних їм нейтрино n m і n e (див. Лептонний заряд ). Доказом цього служить те, що нейтрино, що виникає разом с М. (наприклад, при розпаді p + ® m + + n m ), не викликає при зіткненні з нуклонами народження електрона, а також те, що не спостерігаються безнейтрінниє розпади

Одним з можливих пояснень відмінності М. і електрона є припущення, що m - і n m відрізняються від е - і n e лептонним зарядом (числом) l : в е - і n e l = +1, а в m - і n m I = -1; для їх античасток l мають протилежні знаки (останні розпади будуть заборонені тоді законом збереження лептонного числа). Існування m — е-універсальності ставить перед теорією елементарних часток важливу і до цих пір не вирішену проблему: оскільки, згідно сучасної теорії, маса часток має польове походження, тобто визначається взаємодіями, в яких бере участь частка, то незрозуміло, чому електрон і М., що володіють абсолютно однаковими взаємодіями, настільки різні по своїй масі. Висловлювалися гіпотези про наявність у М. «аномальних» взаємодій (тобто відсутніх в електрона), але експериментально такі взаємодії не виявлені. З ін. сторони, можливо, що відмінність в масах М. і електрона пов'язано з внутрішньою будовою лептонів; проте навіть сам підхід до цієї проблеми доки неясний. Існування М., т. о., представляє одну з цікавих загадок природи, і не виключено що її рішення буде пов'язано з відкриттями фундаментальної важливості.

  З проблемою m — е-універсальності зв'язано також питання про можливе існування ін. лептонів з масою більшою, ніж у М. Якби взаємодії «важких» лептонів виявилися такими ж, як в m і е, то деякі їх властивості (зокрема, час життя і способи розпаду) можна було б передбачити теоретично. Якщо такі лептони існують і маса їх більше 0,5 Гев , то із-за своїх властивостей вони могли виявитися непоміченими в більшості дослідів, що проводилися. Тому для пошуку «важких» лептонів необхідні спеціальні експерименти, мабуть, з нейтрино (або фотонами) високих енергій.

  Проникаюча здатність мюонів. Не володіючи сильними взаємодіями, М. високої енергії гальмуються в речовині лише за рахунок електромагнітних взаємодій з електронами і ядрами речовини. До енергій порядку 10 11 —10 12 ев М. втрачають енергію в основному на іонізацію атомів середовища, а при вищих енергіях стають істотними втрати енергії за рахунок народження позитронних для електрона пар, випускання g-квантів гальмівного випромінювання і розщеплювання атомних ядер. Т. до. маса М. багато більше маси електрона, то втрати енергії швидких М. на гальмівне випромінювання і народження пар значно менше, ніж втрати енергії швидких електронів на гальмівне випромінювання (або g-квантів на народження пар е + е - ). Ці чинники обумовлюють високу проникаючу здатність М. як в порівнянні з адронами, так і в порівнянні з електронами і g-квантамі. В результаті М. космічних променів не лише легко проникають через атмосферу Землі, але і заглиблюються (у залежності від їх енергії) на досить значні відстані в грунт. У підземних експериментах М. космічних променів з енергією 10 12 —10 13 ев реєструються на глибині декілька км. .

  Мюони, що зупиняються в речовині. Повільні М., втрачаючи енергію на іонізацію атомів, можуть зупинятися в речовині. При цьому m + в більшості речовин приєднує до себе атомний електрон, утворюючи систему, аналогічну атому водню, — так званий мюоній . Мюоній може вступати в хімічні реакції, аналогічні реакціям атома водню. Із-за взаємодії з магнітними моментами електронів речовини m + (спин якого спочатку був направлений убік, протилежну до напряму його влета в речовину) частково втрачає свою поляризацію. Про це можна судити по зміні асиметрії вильоту позитронів від розпаду (2, а). Вивчаючи процес деполяризації m + в речовині у присутності зовнішніх магнітних полів, удається встановити, в які хімічні реакції вступає мюоній, і визначити швидкість протікання цих реакцій. Останніми роками виник новий напрям досліджень властивостей речовини і хімічних реакцій за допомогою позитивних М. — так звана хімія мюонів.

  Негативні М. ті, що зупиняються в речовині, як вже наголошувалося, можуть утворювати мюонні мезоатоми. Боровський радіус мюонного мезоатома рівний

де m m і е — маса і заряд М., Z — заряд ядра,  — постійна Планка. Ця величина в ( m m / m e ) Z разів менше за боровського радіус атома водню ( m e — маса електрона). Тому мюонні «орбіти», що відповідають нижнім енергетичним рівням мезоатома, розташовані значно ближче до ядра, чим електронні. При Z » 30—40 розмірів мюонних «орбіт» порівнюються з розмірами ядер і розподіл електричного заряду в ядрі сильно позначається на енергії нижчого стану мезоатома. Відстань між рівнями енергії мезоатомів при цьому в m m / me » 207 разів більше, ніж для відповідного (з ядром заряду Z ) водородоподобного атома, і можуть складати десятки і сотні кев , а для важких елементів навіть декілька Мев .

  Спочатку мюонні мезоатоми виникають в збуджених станах, а потім, випускаючи послідовно g-кванті або передаючи енергію атомним електронам, переходять в основний стан. Вимірюючи енергію g-квантів, що випускаються при переходах між рівнями мезоатомів, можна отримати відомості розмірах ядер, розподілі електричного заряду в ядрі і ін. характеристиках ядра.

  Вельми своєрідне поведінка в речовині мезоатомів водню і його ізотопів (дейтерію, тритію). Одиничний позитивний заряд ядра в цих мезоатомах повністю «екранується» зарядом негативного М. Поетому така система, володіючи розмірами порядку 2×10 -11 см , поводиться в речовині, подібно до повільного нейтрона: «вільно» проникає через електронні оболонки атомів і здатна личити на близькі відстані до ін. ядрам. Це обумовлює можливість протікання ряду специфічних явищ; зокрема, мезоатоми водню або дейтерію можуть приєднати до себе ще одне ядро і утворити мезонні молекули ррm, dpm або ddm, аналогічні молекулярним іонам водню H 2 + , Hd + або D 2 + (d — ядро дейтерію, дейтрон). Ядра в таких молекулах знаходячись на малих відстанях один від одного, здатні вступати в ядерні реакції синтезу d + р ® 3 He + g або d + d ® 3 He + n, d + d ® Т + р. енергії, що протікають з виділенням (Т — ядро тритію). Після акту реакції m часто виявляється звільненим від зв'язку з ядром, а потім, послідовно утворюючи мюонний мезоатом і мезомолекулу, може викликати нову реакцію синтезу і т. д., тобто діє як каталізатор ядерних реакцій. Проте для практичного здобуття енергії ядерного синтезу каталіз ядерних реакцій за допомогою m не може бути використаний, оскільки число ядерних реакцій, М., що викликаються, за час його життя, виявляється невеликим.

  Літ .: Вайсенберг А. О., мю-мезон, М., 1964 (Сучасні проблеми фізики); Бугаїв Е. Ст, Котів Ю. Д., Розенталь І. Л., Космічні мюони і нейтрино, М., 1970; Зельдовіч Я. Б., Герштейн С. С., Ядерні реакції в холодному водні, «Успіхи фізичних наук», 1960, т. 71, ст 4, с. 581.

  С. С. Герштейн.

 

 Утворення мюонів m, + , m - при розпадах p + - і p - -мезонов. Імпульси pv m , р m+ (відповідно pn m p m -) часток розпаду n m і m+ + (n m і m - ) рівні по величині і направлені в протилежні сторони. Жирні стрілки вказують напрям спинів (поляризацію) часток sv m , s m+ (sv m+ , s m -).