Значение слова МЮОНЫ в Большой советской энциклопедии, БСЭ

МЮОНЫ

(старое название - m-мезоны), нестабильные элементарные частицы со спином 1/2, временем жизни 2,2×10-6 сек и массой, приблизительно в 207 раз превышающей массу электрона. Существуют положительно заряженные (m+) и отрицательно заряженные (m-) М., являющиеся частицей и античастицей по отношению друг к другу. М. относятся к классу лептонов , т. е. участвуют в электромагнитных и слабых взаимодействиях и не участвуют в сильных взаимодействиях .

Открытие мюонов и их источники. М. были впервые обнаружены в космических лучах в 1936 американскими физиками К. Андерсоном и С. Неддермейером. Сначала М. 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 М. слабо взаимодействует с веществом. Этот 'парадокс' был разрешён в 1947 после открытия пи-мезона (p), обладающего свойствами частицы, предсказанной Юкавой, и распадающегося на М. и нейтрино .

Основным источником М. 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 М. - рождение пар m+m- фотонами (g) высоких энергий, электромагнитные распады мезонов типаr - 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 М. образуют основную компоненту (~80%) всех частиц космического излучения. На современных ускорителях заряженных частиц высокой энергии получают пучки М. 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 М. 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 М. вызывают их распад по схеме:

(где е+, е-, ne, - позитрон, электрон, электронные нейтрино и антинейтрино соответственно); эти распады и определяют 'время жизни' М. 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 М. участвует в точности так же, как электрон (позитрон), отличаясь от него только своей массой. Это явление называется m - е-универсальностью. Вместе с тем М. 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 М. (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 М. 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 М., обладающие совершенно одинаковыми взаимодействиями, столь различны по своей массе. Высказывались гипотезы о наличии у М. 'аномальных' взаимодействий (т. е. отсутствующих у электрона), но экспериментально такие взаимодействия не обнаружены. С др. стороны, возможно, что различие в массах М. и электрона связано с внутренним строением лептонов; однако даже сам подход к этой проблеме пока неясен. Существование М., 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 М. 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, М. высокой энергии тормозятся в веществе только за счёт электромагнитных взаимодействий с электронами и ядрами вещества. До энергий порядка 1011-1012 эв М. 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 М. много больше массы электрона, то потери энергии быстрых М. 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 М. как по сравнению с адронами, так и по сравнению с электронами и g-квантами. В результате М. 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 М. космических лучей с энергией 1012-1013 эв регистрируются на глубине нескольких км .

Мюоны, останавливающиеся в веществе. Медленные М., 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 М. - так называемая химия мюонов.

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

где m m и е - масса и заряд М., Z - заряд ядра, - постоянная Планка. Эта величина в ( m m/ 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 m m/ 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 М. 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 М. за время его жизни, оказывается небольшим.

Лит .: Вайсенберг А. О., Мю-мезон, М., 1964 (Современные проблемы физики); Бугаев Э. В., Котов Ю. Д., Розенталь И. Л., Космические мюоны и нейтрино, М., 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.

Большая советская энциклопедия, БСЭ.