Мюоны

Мюоны (далее М) (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 ядрами, тогда как опытные данные показывали, что М слабо взаимодействует с веществом. Этот "парадокс" был разрешен 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+(+) ® m+ + nm,      (1, а) (здесь nm,  - мюонные нейтрино и антинейтрино). Др. источники М - 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 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- "живет" меньше: останавливаясь в веществе, он притягивается положительно заряженным ядром и образует так называемый мюонный или m-мезоатом, - систему, состоящую из ядра, m- и электронной оболочки. В мезоатомах благодаря слабому взаимодействию может происходить процесс захвата m- ядром:   m- + ZA ® Z-1 + 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 легких элементов пропорционально Z4 и при Z " 10 сравнивается с вероятностью распада m-. В тяжелых 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 четности 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 = -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 решенную 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 ее 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 "тяжелых" 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 "тяжелых" 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 счет электромагнитных взаимодействий с электронами и ядрами вещества. До энергий порядка 1011-1012эв М теряют энергию в основном на ионизацию среды, а при более высоких энергиях становятся существенными потери энергии за счет рождения электрон-позитронных пар, испускания g-квантов тормозного излучения и расщепления 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.   М, останавливающиеся в веществе. Медленные М, теряя энергию на ионизацию могут останавливаться в веществе. При этом m+ в большинстве веществ присоединяет к себе электрон, образуя систему, аналогичную - так называемый мюоний. Мюоний может вступать в реакции, аналогичные реакциям Из-за взаимодействия с моментами электронов вещества m+ (спин которого первоначально был направлен в сторону, противоположную направлению его влета 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 полей, удается установить, в какие реакции вступает мюоний, и определить скорость протекания этих реакций. В последние годы возникло новое направление исследований свойств вещества и реакций с помощью положительных М - так называемая мюонов.   Отрицательные М, останавливающиеся в веществе, как уже отмечалось, могут образовывать мюонные мезоатомы. Боровский радиус мюонного мезоатома равен где mm и е - масса и заряд М, Z - заряд ядра,  - постоянная Планка. Эта величина в (mm/me) Z раз меньше боровского радиуса (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) и могут составлять десятки и сотни кэв, а для тяжелых элементов даже несколько Мэв.   Первоначально мюонные мезоатомы возникают в возбужденных состояниях, а затем, испуская последовательно g-кванты или передавая энергию 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 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, ведет себя в веществе, подобно медленному нейтрону: "свободно" проникает через электронные оболочки и способна подходить на близкие расстояния к др. ядрам. Это обусловливает возможность протекания ряда специфических явлений; в частности, мезоатомы или дейтерия могут присоединить к себе еще одно ядро и образовать мезонные молекулы ррm, dpm или ddm, аналогичные молекулярным ионам 2+, 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 ® 3 + g или d + d ® 3 + n, d + d ® Т + р. протекающие с выделением энергии (Т - ядро трития). После акта реакции m- часто оказывается освобожденным 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 "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-).