БОЛЬШАЯ СОВЕТСКАЯ ЭНЦИКЛОПЕДИЯ, БСЭ БОЛЬШАЯ СОВЕТСКАЯ ЭНЦИКЛОПЕДИЯ, БСЭ
Навигация:

Библиотека DJVU
Photogallery

БСЭ

Статистика:


Мюоны

Значение слова "Мюоны" в Большой Советской Энциклопедии


Мюоны (старое название - m-мезоны), нестабильные элементарные частицы со спином 1/2,
 Образование мюонов m,+, m- при распадах покоящихся p+- и p--мезонов. Импульсы pvm, рm+ (соответственно pnm pm-) частиц распада nm и m++ (nm и m-) равны по величине и направлены в противоположные стороны. Жирные стрелки указывают направление спинов (поляризацию) частиц svm, sm+, (svm+, sm-).
временем жизни 2,2×10-6 сек и массой, приблизительно в 207 раз превышающей массу электрона. Существуют положительно заряженные (m+) и отрицательно заряженные (m-) Мюоны, являющиеся частицей и античастицей по отношению друг к другу. Мюоны относятся к классу лептонов, т. е. участвуют в электромагнитных и слабых взаимодействиях и не участвуют в сильных взаимодействиях.

  Открытие мюонов и их источники. Мюоны были впервые обнаружены в космических лучах в 1936 американскими физиками К. Андерсоном и С. Неддермейером. Сначала Мюоны пытались отождествить с частицей, которая, согласно гипотезе японского физика Х. Юкавы, является переносчиком ядерных сил. Однако такая частица должна была интенсивно взаимодействовать с атомными ядрами, тогда как опытные данные показывали, что Мюоны слабо взаимодействует с веществом. Этот «парадокс» был разрешён в 1947 после открытия пи-мезона (p), обладающего свойствами частицы, предсказанной Юкавой, и распадающегося на Мюоны и нейтрино.

Основным источником Мюоны в космических лучах и на ускорителях заряженных частиц высоких энергий является распад p-мезонов (пионов), а также К-мезонов (каонов), интенсивно рождающихся при столкновениях сильно взаимодействующих частиц (адронов), например протонов (р) с ядрами:

  p+(K+) ® m+ + nm,      (1, а)



(здесь nm,  - мюонные нейтрино и антинейтрино). Др. источники Мюоны - рождение пар m+m- фотонами (g) высоких энергий, электромагнитные распады мезонов типа  r ® m+ + m-, так называемые лептонные распады гиперонов, например L° ® р + m + nm и т. д. - играют, как правило, значительно меньшую роль.

  В космических лучах на уровне моря Мюоны образуют основную компоненту (~80%) всех частиц космического излучения. На современных ускорителях заряженных частиц высокой энергии получают пучки Мюоны с интенсивностью 105-106 частиц в сек.

  Спин nm, возникающего при распадах (1, а), ориентирован против направления своего импульса, а спин  от распадов (1, б) - по направлению импульса. Отсюда на основании законов сохранения импульса и момента количества движения следует, что спин m+, рождающегося при распаде покоящихся p+ или К+, направлен против его импульса, а спин m- - в направлении импульса (см. рис.).

  Поэтому Мюоны в зависимости от кинематических условий их образования и энергетического спектра пионов и каонов оказываются частично (или полностью) поляризованными в направлении импульса (m-) или против него (m+).

  Взаимодействие мюонов. Слабые взаимодействия Мюоны вызывают их распад по схеме:



(где е+, е-, ne,  - позитрон, электрон, электронные нейтрино и антинейтрино соответственно); эти распады и определяют «время жизни» Мюоны в вакууме. В веществе m- «живёт» меньше: останавливаясь в веществе, он притягивается положительно заряженным ядром и образует так называемый мюонный атом, или m-мезоатом, - систему, состоящую из атомного ядра, m- и электронной оболочки. В мезоатомах благодаря слабому взаимодействию может происходить процесс захвата m- ядром:

  m- + ZA ® Z-1B + nm

(где Z - заряд ядра). Этот процесс аналогичен К- захвату электронов ядром и сводится к элементарному взаимодействию

  m- + p ® n + nm

(где n - нейтрон). Вероятность захвата m- ядром растет для лёгких элементов пропорционально Z4 и при Z » 10 сравнивается с вероятностью распада m-. В тяжёлых элементах «время жизни» останавливающихся m- определяется в основном вероятностью их захвата ядрами и в 20-30 раз меньше их «времени жизни» в вакууме.

  Из-за несохранения пространственной чётности в слабом взаимодействии при распаде (2, а) позитроны вылетают преимущественно в направлении спина m+, а электроны в распаде (2, б) - преимущественно в направлении, противоположном спину m- (см. рис. к ст. Слабые взаимодействия). Поэтому, изучая асимметрию вылетов электронов или позитронов в этих распадах, можно определить направления спинов m- и m+.

  Современные опытные данные показывают, что во всех известных взаимодействиях Мюоны участвует в точности так же, как электрон (позитрон), отличаясь от него только своей массой. Это явление называется m - е-универсальностью. Вместе с тем Мюоны и электрон отличаются друг от друга некоторым внутренним квантовым числом, и такое же различие имеет место для соответствующих им нейтрино nm и ne (см. Лептонный заряд). Доказательством этого служит то, что нейтрино, возникающее вместе с Мюоны (например, при распаде p+ ® m+ + nm), не вызывает при столкновении с нуклонами рождения электрона, а также то, что не наблюдаются безнейтринные распады



Одним из возможных объяснений различия Мюоны и электрона является предположение, что m- и nm отличаются от е- и ne лептонным зарядом (числом) l: у е- и ne l = +1, a y m- и nm I = -1; для их античастиц l имеют противоположные знаки (последние распады будут запрещены тогда законом сохранения лептонного числа). Существование m - е-универсальности ставит перед теорией элементарных частиц важную и до сих пор не решённую проблему: поскольку, согласно современной теории, масса частиц имеет полевое происхождение, т. е. определяется взаимодействиями, в которых участвует частица, то непонятно, почему электрон и Мюоны, обладающие совершенно одинаковыми взаимодействиями, столь различны по своей массе. Высказывались гипотезы о наличии у Мюоны «аномальных» взаимодействий (т. е. отсутствующих у электрона), но экспериментально такие взаимодействия не обнаружены. С др. стороны, возможно, что различие в массах Мюоны и электрона связано с внутренним строением лептонов; однако даже сам подход к этой проблеме пока неясен. Существование Мюоны, т. о., представляет одну из интереснейших загадок природы, и не исключено, что её решение будет связано с открытиями фундаментальной важности.

  С проблемой m - е-универсальности связан также вопрос о возможном существовании др. лептонов с массой большей, чем у Мюоны Если бы взаимодействия «тяжёлых» лептонов оказались такими же, как у m и е, то некоторые их свойства (в частности, время жизни и способы распада) можно было бы предсказать теоретически. Если такие лептоны существуют и масса их больше 0,5 Гэв, то из-за своих свойств они могли оказаться незамеченными в большинстве проводившихся опытов. Поэтому для поиска «тяжёлых» лептонов необходимы специальные эксперименты, по-видимому, с нейтрино (или фотонами) высоких энергий.

  Проникающая способность мюонов. Не обладая сильными взаимодействиями, Мюоны высокой энергии тормозятся в веществе только за счёт электромагнитных взаимодействий с электронами и ядрами вещества. До энергий порядка 1011-1012эв Мюоны теряют энергию в основном на ионизацию атомов среды, а при более высоких энергиях становятся существенными потери энергии за счёт рождения электрон-позитронных пар, испускания g-квантов тормозного излучения и расщепления атомных ядер. Т. к. масса Мюоны много больше массы электрона, то потери энергии быстрых Мюоны на тормозное излучение и рождение пар значительно меньше, чем потери энергии быстрых электронов на тормозное излучение (или g-квантов на рождение пар е+е-). Эти факторы обусловливают высокую проникающую способность Мюоны как по сравнению с адронами, так и по сравнению с электронами и g-квантами. В результате Мюоны космических лучей не только легко проникают через атмосферу Земли, но и углубляются (в зависимости от их энергии) на довольно значительные расстояния в грунт. В подземных экспериментах Мюоны космических лучей с энергией 1012-1013 эв регистрируются на глубине нескольких км.

  Мюоны, останавливающиеся в веществе. Медленные Мюоны, теряя энергию на ионизацию атомов, могут останавливаться в веществе. При этом m+ в большинстве веществ присоединяет к себе атомный электрон, образуя систему, аналогичную атому водорода, - так называемый мюоний. Мюоний может вступать в химические реакции, аналогичные реакциям атома водорода. Из-за взаимодействия с магнитными моментами электронов вещества m+ (спин которого первоначально был направлен в сторону, противоположную направлению его влёта в вещество) частично теряет свою поляризацию. Об этом можно судить по изменению асимметрии вылета позитронов от распада (2, а). Изучая процесс деполяризации m+ в веществе в присутствии внешних магнитных полей, удаётся установить, в какие химические реакции вступает мюоний, и определить скорость протекания этих реакций. В последние годы возникло новое направление исследований свойств вещества и химических реакций с помощью положительных Мюоны - так называемая химия мюонов.

  Отрицательные Мюоны, останавливающиеся в веществе, как уже отмечалось, могут образовывать мюонные мезоатомы. Боровский радиус мюонного мезоатома равен



где mm и е - масса и заряд Мюоны, Z - заряд ядра,  - постоянная Планка. Эта величина в (mm/me) Z раз меньше боровского радиуса атома водорода (me - масса электрона). Поэтому мюонные «орбиты», отвечающие нижним энергетическим уровням мезоатома, расположены значительно ближе к ядру, чем электронные. При Z » 30-40 размеры мюонных «орбит» сравниваются с размерами ядер и распределение электрического заряда в ядре сильно сказывается на энергии низшего состояния мезоатома. Расстояние между уровнями энергии мезоатомов при этом в mm/me » 207 раз больше, чем для соответствующего (с ядром заряда Z) водородоподобного атома, и могут составлять десятки и сотни кэв, а для тяжёлых элементов даже несколько Мэв.

  Первоначально мюонные мезоатомы возникают в возбуждённых состояниях, а затем, испуская последовательно g-кванты или передавая энергию атомным электронам, переходят в основное состояние. Измеряя энергию g-квантов, испускаемых при переходах между уровнями мезоатомов, можно получить сведения о размерах ядер, распределении электрического заряда в ядре и др. характеристиках ядра.

  Весьма своеобразно поведение в веществе мезоатомов водорода и его изотопов (дейтерия, трития). Единичный положительный заряд ядра в этих мезоатомах полностью «экранируется» зарядом отрицательного Мюоны Поэтому такая система, обладая размерами порядка 2×10-11 см, ведёт себя в веществе, подобно медленному нейтрону: «свободно» проникает через электронные оболочки атомов и способна подходить на близкие расстояния к др. ядрам. Это обусловливает возможность протекания ряда специфических явлений; в частности, мезоатомы водорода или дейтерия могут присоединить к себе ещё одно ядро и образовать мезонные молекулы ррm, dpm или ddm, аналогичные молекулярным ионам водорода H2+, HD+ или D2+ (d - ядро дейтерия, дейтрон). Ядра в таких молекулах, находясь на малых расстояниях друг от друга, способны вступать в ядерные реакции синтеза d + р ® 3He + g или d + d ® 3He + n, d + d ® Т + р. протекающие с выделением энергии (Т - ядро трития). После акта реакции m- часто оказывается освобождённым от связи с ядром, а затем, последовательно образуя мюонные мезоатом и мезомолекулу, может вызвать новую реакцию синтеза и т. д., т. е. действует как катализатор ядерных реакций. Однако для практического получения энергии ядерного синтеза катализ ядерных реакций с помощью m- не может быть использован, так как число ядерных реакций, вызываемых Мюоны за время его жизни, оказывается небольшим.

 

  Лит.: Вайсенберг А. О., Мю-мезон, Мюоны, 1964 (Современные проблемы физики); Бугаев Э. В., Котов Ю. Д., Розенталь И. Л., Космические мюоны и нейтрино, Мюоны, 1970; Зельдович Я. Б., Герштейн С. С., Ядерные реакции в холодном водороде, «Успехи физических наук», 1960, т. 71, в. 4, с. 581.

  С. С. Герштейн.

 

 Образование мюонов m,+, m- при распадах покоящихся p+- и p--мезонов. Импульсы pvm, рm+ (соответственно pnm pm-) частиц распада nm и m++ (nm и m-) равны по величине и направлены в противоположные стороны. Жирные стрелки указывают направление спинов (поляризацию) частиц svm, sm+, (svm+, sm-).
 Образование мюонов m,+, m- при распадах покоящихся p+- и p--мезонов. Импульсы pvm, рm+ (соответственно pnm pm-) частиц распада nm и m++ (nm и m-) равны по величине и направлены в противоположные стороны. Жирные стрелки указывают направление спинов (поляризацию) частиц svm, sm+, (svm+, sm-).


В Большой Советской Энциклопедии рядом со словом "Мюоны"

Атар | Буква "М" | В начало | Буквосочетание "МЮ" | Мюрат Иоахим


Статья про слово "Мюоны" в Большой Советской Энциклопедии была прочитана 4608 раз


Интересное