Мюоны

Большая Советская Энциклопедия. Статьи для написания рефератов, курсовых работ, научные статьи, биографии, очерки, аннотации, описания.


А Б В Г Д Е Ё 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 1 2 3 4 8 A L M P S T X
МА МБ МВ МГ МД МЕ МЁ МЖ МЗ МИ МК МЛ МН МО МП МР МС МТ МУ МХ МЦ МШ МЫ МЬ МЭ МЮ МЯ
МЮД
МЮЗ
МЮЛ
МЮН
МЮО
МЮР
МЮС
МЮТ
МЮЧ
МЮШ

Мюоны (старое название — m-мезоны), нестабильные элементарные частицы со спином1/2, временем жизни 2,2×10-6сек 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.

 Образование мюонов <span style='font-family:Symbol;layout-grid-mode:line'>m</span>,<sup>+</sup>, <span style='font-family:Symbol;layout-grid-mode:line'>m</span><sup>-</sup> при распадах покоящихся <span style='font-family:Symbol;layout-grid-mode:line'>p</span><sup>+</sup>и <span style='font-family:Symbol;layout-grid-mode:line'>p</span><sup>-</sup>-мезонов. Импульсы pv<sub><span style='font-family:Symbol;layout-grid-mode:line'>m</span></sub>, р<sub><span style='font-family:Symbol;layout-grid-mode:line'>m</span>+</sub> (соответственно p<span style='font-family:Symbol;layout-grid-mode:line'>n<sub>m</sub></span> p<sub><span style='font-family:Symbol;layout-grid-mode:line'>m</span></sub>-) частиц распада <span style='font-family:Symbol;layout-grid-mode:line'>n<sub>m</sub></span> и <span style='font-family:Symbol;layout-grid-mode:line'>m</span><span style='font-family:++ (nm и m-) равны по величине и направлены в противоположные стороны. Жирные стрелки указывают направление спинов (поляризацию) частиц svm, sm+, (svm+, sm-). Мюоны." alt=" 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-).

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 Кзахвату 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 nel = +1, a y m- и nmI = -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—1013эв 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 2×10-11см, 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.

 

Так же Вы можете узнать о...


Туссен-Лувертюр Франсуа Доминик Туссен-Лувертюр (Toussaint Louverture) Франсуа Доминик (20.
Физиотерапия (от греч. physis – природа и терапия), раздел медицины, изучающий лечебные свойства физических факторов и разрабатывающий методы их применения с лечебно-профилактической целью.
Хиросима (город в Японии) Хиросима, город в Японии, на юго-западе о. Хонсю, в дельте р.
Чечулин Дмитрий Николаевич [р. 9(22).8.1901, Шостка, ныне Сумской области УССР], советский архитектор, народный архитектор СССР (1971), Герой Социалистического Труда (1976).
Эдельштейн Виталий Иванович [17(29).4.1881, Казань, — 1.
Ямагути (префектура в Японии) Ямагути, префектура в Японии, на крайнем юго-западе о.
Альма-матер (лат. alma mater, буквально — кормящая мать), старинное студенческое название университета (дающего «духовную пищу»).
Атарбеков Георгий Александрович Атарбеков (настоящая фамилия Атарбекян) Георгий Александрович [2(14).
Бенефиций (от лат. beneficium — благодеяние),
Брук Йоханнес Хендрик ван ден Брук (Broek) Йоханнес Хендрик ван ден (р. 4.
Ветла, белая ива, серебристая ива, белотал (Salix alba), дерево семейства ивовых.
Вьентьян, Вьентян, столица, основной экономический центр Лаоса.