Большая Советская Энциклопедия (МЮ)

Большая Советская Энциклопедия

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⁺ + n_m, (1, а)

(здесь n_m,

 — 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 + n_m 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 n_m, 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^– , n_e,

 — 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 + n_m

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

m^– + p ® n + n_m

(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 n_m и n_e (см. Лептонный заряд). Доказательством

этого служит то, что нейтрино, возникающее вместе с М. (например, при распаде p⁺ ® m⁺ + n_m), 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 n_m отличаются от е^– и n_e лептонным зарядом (числом) l: у е^– и n_el = +1, a y m^– и n_mI = -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—10¹²эв 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—10¹³эв 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.