МЮОНЫ

(устар. m-мезоны), нестабильные заряж. элем, ч-цы со спином 1/2, временем жизни 2,2•10-6 с и массой, прибл. в 207 раз превышающей массу эл-на (в энергетич. ед. ок. 105,7 МэВ); относятся к классу лептонов. Отрицательно заряж. (m-) и положительно заряж. (m+ ) М. явл. ч-цей и античастицей по отношению друг к другу.

Открытие.

М. были впервые обнаружены в косм. лучах (1936—37) амер. физиками К. Андерсоном и С. Неддермейером. Вначале М. пытались отождествить с ч-цей, к-рая, согласно гипотезе япон. физика X. Юкавы, явл. переносчиком яд. сил. Однако такая ч-ца должна была бы интенсивно взаимодействовать с ядрами, тогда как опытные данные показывали, что М. слабо взаимодействует с в-вом. Этот «парадокс» был разрешён в 1947 после открытия пи-мезона, обладающего св-вами ч-цы, предсказанной Юкавой, и распадающегося на М. и нейтрино:

pi±®m±+vm(v=m).

И с т о ч н и к и.

Осн. источником М. в косм. лучах и на ускорителях высоких энергий явл. распад pi-мезонов (пионов) и К-мезонов (каонов), интенсивно рождающихся при столкновениях адронов — протонов с ядрами и др. Другим (слабым) источником М. может быть, напр., процесс рождения пар m+m- фотонами высоких энергий, распады гиперонов, «очарованных» частиц и др. На уровне моря М. образуют осн. компоненту (=80%) всех ч-ц косм. излучения. На совр. ускорителях высокой энергии получают пучки М. с интенсивностью до 108—109 ч-ц в 1 с.

Спин мюонного нейтрино vm, возникающего вместе с m+ при распадах pi+ и К+ , ориентирован против направления импульса vm, а спин мюонного антинейтрино v=m. от распадов pi- и К- — в направлении импульса v=m. Отсюда на основании законов сохранения импульса и момента кол-ва движения следует, что спин m+ , образующегося от распада покоящихся pi+ или К+ , направлен против его импульса, а спин m- — в направлении импульса. Поэтому М. в зависимости от кинематич. условий их образования и спектра пионов и каонов оказываются частично или полностью поляризованными в направлении своего импульса (m-) или против него (m+).

В з а и м о д е й с т в и е.

Слабое взаимодействие М. вызывает их распад по схеме: m± ®e±+ve(v=e)+v=m(v=m); эти распады и определяют время жизни М. в вакууме. В в-ве m- «живёт» меньше: останавливаясь, он притягивается положительно заряж. ядром и образует м ю о н н ы й а т о м (m-мезоатом). В мезоатомах благодаря слабому вз-ствию может происходить процесс захвата m- ядром А: m-+ZA®Z-1A+vm (Z — заряд ядра). Этот процесс аналогичен электронному захвату и сводится к элем. вз-ствию m-+p®n+vm.. Вероятность захвата m- ядром растёт для лёгких элементов пропорц. Z4 и при Z==10 сравнивается с вероятностью распада m-. В тяжёлых элементах «время жизни» останавливающихся m- определяется в осн. вероятностью их захвата ядрами и в 20—30 раз меньше времени жизни в вакууме.

Из-за несохранения чётности в слабом вз-ствии при распаде m+®е++ve+v=m наиболее энергичные позитроны вылетают преим. в направлении спина m+ , а эл-ны в распаде m-®e-+v=e+vm, — преим. в направлении, противоположном спину m- (рис.). Т. о., изучая асимметрию вылетов эл-нов (позитронов) в этих распадах, можно определить направление спина m-(m+).

Опыт показывает, что во всех известных вз-ствиях М. участвует в точности так же, как эл-н, отличаясь от него только массой. Это явление наз. m—е-у н и в е р с а л ь н о с т ь ю. Вместе с тем М. и эл-н отличаются друг от друга нек-рым внутр. квант. числом — лептонным зарядом и такое же различие имеется для соответствующих им нейтрино. Доказательством этого служит тот факт, что нейтрино, возникающее вместе с М,, не вызывает при столкновении с нуклонами рождение эл-на, а также то, что не наблюдаются распады m±®е±+g и m± ®2е±+е±.

Распады покоящихся p+ — и p--мезонов. Жирные стрелки указывают направление спинов s (поляризацию) ч-ц распада; p — импульсы соответствующих ч-ц.

Существование m—е-универсальности ставит перед теорией элем. ч-ц важную и до сих пор не решённую проблему: поскольку принято считать, что масса ч-ц имеет полевое происхождение (т. е. определяется вз-ствиями, в к-рых участвует ч-ца), то непонятно, почему эл-н и М., обладающие совершенно одинаковыми вз-ствиями, столь различны по своей массе. С проблемой m—е-универсальности связан также вопрос о возможном существовании др. лептонов с массой, большей, чем у М. В 1975—76 в опытах на встречных е+е--пучках был открыт один из таких заряж. лептонов — t-лептон (t+, t-) с массой ок. 1,8 ГэВ (см. ТЯЖЁЛЫЙ ЛЕПТОН).

П р о н и к а ю щ а я с п о с о б н о с т ь м ю о н о в. М. высокой энергии тормозятся в в-ве за счёт эл.-магн. вз-ствия с эл-нами и ядрами в-ва. До энергии =1011—1012 эВ М. теряют энергию в осн. 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 ат. ядер. Т. к. масса М. много больше массы эл-на, то потери энергии быстрых М. на процессы тормозного излучения и рождения пар значительно меньше, чем потери энергии быстрых эл-нов (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 эл-нами и g-квантами. В результате М. косм. лучей не только легко проникают через атмосферу Земли, но и углубляются (в зависимости от их энергии) на значит. расстояния в грунт. В подземных экспериментах М. космических лучей с энергией 1012— 1013 эВ регистрируются на глубине нескольких км.

П о в е д е н и е м ю о н о в, о с т а н а в л и в а ю щ и х с я в в е щ е с т в е. Медленные М., теряя энергию на ионизацию атомов, могут останавливаться в в-ве. При этом m+ в большинстве в-в присоединяет к себе ат. эл-н, образуя систему, аналогичную атому водорода,— т. н. мюоний, к-рый может вступать в такие же хим. реакции, как и атом водорода. Отрицат. М., останавливающиеся в в-ве, образуют m-мезоатомы, боровский радиус к-рых в (mm/me)Z раз меньше, чем у атома водорода, где mm — масса М., me— масса эл-на. Мезоатомы возникают в возбуждённых состояниях, а затем, испуская последовательно g-кванты или передавая энергию ат. эл-нам, переходят в осн. состояние. Измеряя энергию g-квантов, можно получить сведения о размерах ядер, распределении электрич. заряда в ядре и др. хар-ках ядра. В мезоатомах с тяжёлыми ядрами наблюдаются безрадиац. переходы мюонов в осн. состояние, сопровождающиеся возбуждением (в т. ч. делением) ядер. Своеобразно поведение в в-ве мезоатомов водорода и его изотопов — дейтерия, трития (см. МЮОННЫЙ КАТАЛИЗ). См. также (см. МЕЗОАТОМ, МЕЗОННАЯ ХИМИЯ).