(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 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 (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
-, ν
e,
v̅e - 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 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 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 10
11-10
12эв 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 10
12-10
13 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++ (νμ и μ-) равны по величине и направлены в противоположные стороны. Жирные стрелки указывают направление спинов (поляризацию) частиц svμ, sμ+, (svμ+, sμ-).