Мюоны

Мюо́ны

(старое название — μ-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 (μ⁺) и отрицательно заряженные (μ^-) М., являющиеся частицей и античастицей (См. Античастицы) по отношению друг к другу. М. относятся к классу лептонов (См. Лептоны), т. е. участвуют в электромагнитных и слабых взаимодействиях (См. Слабые взаимодействия) и не участвуют в сильных взаимодействиях (См. Сильные взаимодействия).

Открытие мюонов и их источники. М. были впервые обнаружены в космических лучах (См. Космические лучи) в 1936 американскими физиками К. Андерсоном и С. Неддермейером. Сначала М. пытались отождествить с частицей, которая, согласно гипотезе японского физика Х. Юкавы (См. Юкава), 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 (См. Пи-мезоны) (π), обладающего свойствами частицы, предсказанной Юкавой, и распадающегося на М. и Нейтрино.

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

π⁺(K⁺) → μ⁺ + ν_μ, (1, а)

(здесь ν_μ, v̅_μ — мюонные нейтрино и антинейтрино). Др. источники М. — рождение пар μ⁺μ^- фотонами (γ) высоких энергий, электромагнитные распады мезонов типа ρ → μ⁺ + μ^-, так называемые лептонные распады гиперонов (См. Гипероны), например Λ° → р + μ + ν_μ 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 ν_μ, возникающего при распадах (1, а), ориентирован против направления своего импульса, а спин v̅_μ от распадов (1, б) — по направлению импульса. Отсюда на основании законов сохранения импульса и момента количества движения следует, что спин μ⁺, рождающегося при распаде покоящихся π⁺ или К⁺, направлен против его импульса, а спин μ^- — 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 (μ^-) или против него (μ⁺).

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

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

μ^- + _ZA → _Z-1B + ν_μ

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

μ^- + p → n + ν_μ

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

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

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 μ — е-универсальностью. Вместе с тем М. и электрон отличаются друг от друга некоторым внутренним квантовым числом (См. Квантовые числа), и такое же различие имеет место для соответствующих им нейтрино ν_μ и ν_e (см. Лептонный заряд). Доказательством этого служит то, что нейтрино, возникающее вместе с М. (например, при распаде π⁺ → μ⁺ + ν_μ), 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 μ^- и ν_μ отличаются от е^- и ν_e лептонным зарядом (числом) l: у е^- и ν_e l = +1, a y μ^- и ν_μ I = -1; для их античастиц l имеют противоположные знаки (последние распады будут запрещены тогда законом сохранения лептонного числа). Существование μ — 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 μ — 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 μ 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—10¹²эв М. теряют энергию в основном на ионизацию (См. Ионизация) атомов среды, а при более высоких энергиях становятся существенными потери энергии за счёт рождения электрон-позитронных пар, испускания γ-квантов тормозного излучения (См. Тормозное излучение) 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 γ-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 γ-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 μ⁺ 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 μ⁺ (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 μ⁺ 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_μ и е — масса и заряд М., Z — заряд ядра, ħ — постоянная Планка. Эта величина в (m_μ/m_e) Z раз меньше боровского радиуса атома водорода (m_e — 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_μ/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 γ-кванты или передавая энергию атомным электронам, переходят в основное состояние. Измеряя энергию γ-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 ррμ, dpμ или ddμ, 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 + γ или d + d → ³He + n, d + d → Т + р. протекающие с выделением энергии (Т — ядро трития). После акта реакции μ^— 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 μ^— 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.

Образование мюонов μ,⁺, μ^- при распадах покоящихся π⁺- и π^--мезонов. Импульсы pv_μ, р_μ+ (соответственно pν_μ p_μ-) частиц распада ν_μ и μ+⁺ (ν_μ и μ^-) равны по величине и направлены в противоположные стороны. Жирные стрелки указывают направление спинов (поляризацию) частиц sv_μ, s_μ+, (sv_μ+, s_μ-).