Мюоны это:

Мюоны
(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+ + νμ, (1, а)
        
        (здесь νμ, v̅μ — 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 + νμ и т. д. — играют, как правило, значительно меньшую роль.
         В космических лучах на уровне моря М. образуют основную компоненту (Мюоны80%) всех частиц космического излучения. На современных ускорителях заряженных частиц высокой энергии получают пучки М. с интенсивностью 105—106 частиц в сек.
         Спин νμ, возникающего при распадах (1, а), ориентирован против направления своего импульса, а спин v̅μ 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-, νe, 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 + νμ
        (где Z — заряд ядра). Этот процесс аналогичен К- захвату (См. К-захват) электронов ядром и сводится к элементарному взаимодействию
         μ- + p → n + νμ
        (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 νμ и νe (см. Лептонный заряд). Доказательством этого служит то, что нейтрино, возникающее вместе с М. (например, при распаде π+ → μ+ + νμ), 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 νμ отличаются от е- и νe лептонным зарядом (числом) l: у е- и νe l = +1, a y μ- и νμ 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 mμ и е — масса и заряд М., Z — заряд ядра, ħ — постоянная Планка. Эта величина в (mμ/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 mμ/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 pvμ, рμ+ (соответственно pνμ pμ-) частиц распада νμ и μ++μ и μ-) равны по величине и направлены в противоположные стороны. Жирные стрелки указывают направление спинов (поляризацию) частиц svμ, sμ+, (svμ+, sμ-).

Большая советская энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия. 1969—1978.

Смотреть что такое "Мюоны" в других словарях:

  • 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… …   Физическая энциклопедия

  • МЮОНЫ — (?) нестабильные положительно (?+) и отрицательно (? ) заряженные элементарные частицы со спином 1/2 и массой ок. 207 электронных масс и временем жизни ? 10 6 с; относятся к лептонам …   Большой Энциклопедический словарь

  • МЮОНЫ — нестабильные элементарные частицы из класса лепт (см.) с полуцелым (см.) (относятся к (см.)) и массой, равной 207 электронных масс покоя. М. несут отрицательный элементарный электрический заряд (античастица положительный); обозначаются μ и μ+.… …   Большая политехническая энциклопедия

  • Мюоны — Мюон Символ μ (μ−) Масса 105,658369(9) МэВ Античастица μ+ Классы лептон, фермион Квантовые числа Электрический заряд 1 Спин …   Википедия

  • мюоны — (μ), нестабильные положительно (μ+) и отрицательно (μ–) заряженные элементарные частицы со спином 1/2, массой около 207 электронных масс и временем жизни мюоны10–6 с; относятся к лептонам. * * * МЮОНЫ МЮОНЫ (m), нестабильные положительно (m+) и… …   Энциклопедический словарь

  • МЮОНЫ — нестабильные элементарные частицы с единичным положит. или отрицат. элементарным электрическим зарядом и массой, превосходящей массу электрона в 206,7 раза. Ср. время жизни М. 2,2 мкс (2,2 * 10 6 с). М. по многим своим св вам близки к электронам …   Большой энциклопедический политехнический словарь

  • МЮОНЫ — (n), нестабильные положительно (n+) и отрицательно (n ) заряж. элементарные частицы со спином 1/2, массой ок. 207 электронных масс и временем жизни 10 6с; относятся к лептонам …   Естествознание. Энциклопедический словарь

  • МЮОНЫ — (n), нестабильные положительно (n+) и отрицательно (n ) заряж. элементарные частицы со спином 1/2, массой ок. 207 электронных масс и временем жизни 10 6с; относятся к лептонам …   Естествознание. Энциклопедический словарь

  • Мюон — Символ μ (μ−) Масса 105,6583715(35) МэВ[1] Античастица …   Википедия

  • Космические лучи —         поток частиц высокой энергии, преимущественно протонов, приходящих на Землю из мирового пространства (первичное излучение), а также рожденное ими в атмосфере Земли в результате взаимодействия с атомными ядрами вторичное излучение, в… …   Большая советская энциклопедия

Книги



Поделиться ссылкой на выделенное

Прямая ссылка:
Нажмите правой клавишей мыши и выберите «Копировать ссылку»