БСЭ. Мюоний - Мюоны
Начало Вверх

МЮОНИЙ, частица, состоящая из положительного мюона (+) и электрона (е-). Обозначается +e- или Mu. Гипотеза о существовании M. была выдвинута в 1957 одновременно Л. Д. Ландау и А. Саламом. Строение M. аналогично атому водорода, от к-poгo M. отличается заменой протона на +. М. образуется при торможении + в веществе. При этом + присоединяет к себе электрон из оболочки атома, а атом становится положит, ионом. Напр., + + Xe -> +е- + Xe+. Время жизни M. t = 2,2-10-6 сек; оно определяется временем жизни +.

Поскольку + и е- обладают собственными магнитными моментами (спинами), то в M. их спины могут быть направлены либо параллельно, либо антипараллельно друг другу. Энергия двух таких состояний различается на величину ~ 2-10-5 эв и между ними возможны квантовые переходы с излучением электромагнитных волн частотой 4463,16 Мгц. Наблюдение этих переходов и сравнение измеренной частоты излучения с теоретически предсказываемой является одним из самых точных методов проверки уравнений квантовой электродинамики.

Три четверти атомов M. образуется в состоянии с параллельными спинами + и е-. Магнитный момент этих атомов M. примерно в 200 раз превышает магнитный момент + мезона, а частота прецессии такой системы в магнитном поле в 100 раз превышает частоту прецессии свободного +. С такой же частотой меняется направление вылета позитронов, образующихся при распаде +, входящего в состав M. (+->e++ve+v). Это явление используют для наблюдения M. и исследования различных хим. реакций с участием водорода. Так как M. можно рассматривать как лёгкий изотоп водорода, то в таких исследованиях он играет роль "меченого" атома водорода, за движением к-рого можно следить, наблюдая прецессию его спина в магнитном поле. Если M., подобно атому водорода, вступает в хим. реакцию, то связь между спинами мюона + и электрона е- "разрывается" и вместо частоты прецессии M. наблюдается частота прецессии свободного +. Таким способом удалось измерить скорости протекания многих хим. реакций атомарного водорода с различными веществами.

Лит.: X ь ю з В., Мюоний, "Успехи физических наук", 1968, т. 95, в. 3; Гольд а н с к и й В. И., Ф и р с о в В. Г., Химия новых атомов, "Успехи химии", 1971, т. 40, в. 8.

Л. И. Пономарев.

MЮOHЫ (старое название - -мезоны), нестабильные элементарные частицы со спином ½, временем жизни 2,2·10-6 сек и массой, приблизительно в 207 раз превышающей массу электрона. Существуют положительно заряженные (+) и отрицательно заряженные (-) M., являющиеся частицей и античастицей по отношению друг к другу. M. относятся к классу лептонов, т. е. участвуют в электромагнитных и слабых взаимодействиях и не участвуют в сильных взаимодействиях.

Открытие мюонов и их источники. M. были впервые обнаружены в космических лучах в 1936 амер. физиками К. Андерсоном и С. Неддермейером. Сначала M. пытались отождествить с частицей, к-рая, согласно гипотезе япон. физика X. Юкавы, является переносчиком ядерных сил. Однако такая частица должна была интенсивно взаимодействовать с атомными ядрами, тогда как опытные данные показывали, что M. слабо взаимодействует с веществом. Этот "парадокс" был разрешён в 1947 после открытия пи-мезона (, обладающего свойствами частицы, предсказанной Юкавой, и распадающегося на M. и нейтрино.

Осн. источником M. в космич. лучах и на ускорителях заряженных частиц высоких энергий является распад -ме-зонов (пионов), а также К-мезонов (као-нов), интенсивно рождающихся при столкновениях сильно взаимодействующих частиц (адронов), напр, протонов (р) с ядрами: (здесь  - мюонные нейтрино и антинейтрино). Др. источники M.- рождение пар +- фотонами () высоких энергий, электромагнитные распады мезонов типа -> +. н. лептонные распады гиперонов, напр. ° ->  и т.д.- играют, как правило, значительно меньшую роль.

В космич. лучах на уровне моря M. образуют осн. компоненту (~80%) всех частиц космич. излучения. На совр. ускорителях заряженных частиц высокой энергии получают пучки M. с интенсивностью 105-106 частиц в се-.

Спин V11, возникающего при распадах (1,а), ориентирован против направления своего импульса, а спин  от распадов (1,6) - по направлению импульса. Отсюда на основании законов сохранения импульса и момента количества движения следует, что спин +, рождающегося при распаде покоящихся + или K+, направлен против его импульса, а спин ~ - в направлении импульса (см. рис.).
1712-1.JPG

Образование мюонов +, - при распадах покоящихся +- и --мезонов.

Импульсы + (соответственно -) частиц распада  и + ( и -) равны по величине и направлены в противоположные стороны. Жирные стрелки указывают направление спинов (поляризацию) частиц S, S+, (S, S-).

Поэтому M. в зависимости от кинематич. условий их образования и энергетич. спектра пионов и каонов оказываются частично (или полностью) поляризованными в направлении импульса (-) или против него (+).  

Взаимодействие мюонов. Слабые взаимодействия M. вызывают их распад по схеме:
1712-2.JPG

(где е+, е- , ve, ve - позитрон, электрон, электронные нейтрино и антинейтрино соответственно); эти распады и определяют "время жизни" M. в вакууме. В веществе - "живёт" меньше: останавливаясь в веществе, он притягивается положительно заряженным ядром и образует т. н. м ю о н н ы й атом, или -меэоатом,- систему, состоящую из атомного ядра, - и электронной оболочки. В мезоатомах благодаря слабому взаимодействию может происходить процесс захвата - ядром:

-+zA->z-1B + 

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

- + ->n +  (где n - нейтрон). Вероятность захвата - ядром растёт для лёгких элементов пропорционально Z4 и при Z = 10 сравнивается с вероятностью распада -. В тяжёлых элементах "время жизни" останавливающихся - 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, a) позитроны вылетают преим. в направлении спина +, а электроны в распаде (2,6)- преим. в направлении, противоположном спину - (см. рис. к ст. Слабые взаимодействия). Поэтому, изучая асимметрию вылетов электронов или позитронов в этих распадах, можно определить направления спинов- и +.

Совр. опытные данные показывают, что во всех известных взаимодействиях M. участвует в точности так же, как электрон (позитрон), отличаясь от него только своей массой. Это явление наз.  - е-универсалъностью. Вместе с тем M. и электрон отличаются друг от друга нек-рым внутр. квантовым числом, и такое же различие имеет место для соответствующих им нейтрино  и ve (см. Лептонный заряд). Доказательством этого служит то, что нейтрино, возникающее вместе с M. (например, при распаде + -> +), не вызывает при столкновении с нуклонами рождения электрона, а также то, что не наблюдаются безнейтринные распады +- ->e+- + и +- -> 2e+- + е-+. Одним из возможных объяснений различия M. и электрона является предположение, что - и отличаются от е- и ve лептонным зарядом (числом) l: у е- и e l = +1, а у - и l = -1; для их античастиц l имеют противоположные знаки (последние распады будут запрещены тогда законом сохранения лептонного числа). Существование  - е-универсальности ставит перед теорией элементарных частиц важную и до сих пор не решённую проблему: поскольку, согласно совр. теории, масса частиц имеет полевое происхождение, т. е. определяется взаимодействиями, в к-рых участвует частица, то непонятно, почему электрон и M., обладающие совершенно одинаковыми взаимодействиями, столь различны по своей массе. Высказывались гипотезы о наличии у M. "аномальных" взаимодействий (т. е. отсутствующих у электрона), но экспериментально такие взаимодействия не обнаружены. С др. стороны, возможно, что различие в массах M. и электрона связано с внутр. строением лептонов; однако даже сам подход к этой проблеме пока неясен. Существование M., т. о., представляет одну из интереснейших загадок природы, и не исключено, что её решение будет связано с открытиями фундаментальной важности.

С проблемой - е-универсальности связан также вопрос о возможном существовании др. лептонов с массой большей, чем у M. Если бы взаимодействия "тяжёлых" лептонов оказались такими же, как у  и е, то нек-рые их свойства (в частности, время жизни и способы распада) можно было бы предсказать теоретически. Если такие лептоны существуют и масса их больше 0,5 Гэе, 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, M. высокой энергии тормозятся в веществе только за счёт электромагнитных взаимодействий с электронами и ядрами вещества. До энергий порядка 1011-1012 эв M. теряют энергию в основном на ионизацию атомов среды, а при более высоких энергиях становятся существенными потери энергии за счёт рождения электрон-позитронных пар, испускания -квантов тормозного излучения и расщепления атомных ядер. T. к. масса M. много больше массы электрона, то потери энергии быстрых M. на тормозное излучение и рождение пар значительно меньше, чем потери энергии быстрых электронов на тормозное излучение (или -квантов на рождение пар е+е-). Эти факторы обусловливают высокую проникающую способность M. как по сравнению с адронами, так и по сравнению с электронами и -квантами. В результате M. космич. 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 M. космических лучей с энергией 1012-1013 эв регистрируются на глубине нескольких км.  

Мюоны, останавливающиеся в веществе. Медленные M., теряя энергию на ионизацию атомов, могут останавливаться в веществе. При этом + в большинстве веществ присоединяет к себе атомный электрон, образуя систему, аналогичную атому водорода,- т. н. мюоний. Мюоний может вступать в хим. реакции, аналогичные реакциям атома водорода. Из-за взаимодействия с магнитными моментами электронов вещества + (спин к-рого 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,a). Изучая процесс деполяризации + в веществе в присутствии внеш. магнитных полей, удаётся установить, в какие хим. реакции вступает мюоний, и определить скорость протекания этих реакций. В последние годы возникло новое направление исследований свойств вещества и химических реакций с помощью положительных M .- так называемая химия мюонов.

Отрицательные M., останавливающиеся в веществе, как уже отмечалось, могут образовывать мюонные мезоатомы. Боровский радиус мюонного мезоатома равен h2/me2Z, где ти е - масса и заряд M., Z - заряд ядра, h - постоянная ланка. Эта величина в (m,/тe) Z раз меньше воровского радиуса атома водорода e - масса электрона). Поэтому мюонные "орбиты", отвечающие нижним энергетич. уровням мезоатома, расположены значительно ближе к ядру, чем электронные. При Z~30-40 размеры мюонных "орбит" сравниваются с размерами ядер и распределение электрич. заряда в ядре сильно сказывается на энергии низшего состояния мезоатома. Расстояние между уровнями энергии мезоатомов при этом в mI/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 неск. Мэв.

Первоначально мюонные мезоатомы возникают в возбуждённых состояниях, а затем, испуская последовательно -кванты или передавая энергию атомным электронам, переходят в основное состояние. Измеряя энергию -квантов, испускаемых при переходах между уровнями мезоатомов, можно получить сведения о размерах ядер, распределении электрич. заряда в ядре и др. характеристиках ядра.

Весьма своеобразно поведение в веществе мезоатомов водорода и его изотопов (дейтерия, трития). Единичный положит, заряд ядра в этих мезоатомах полностью "экранируется" зарядом отрицательного M. 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 специфич. явлений; в частности, мезоатомы водорода или дейтерия могут присоединить к себе ещё одно ядро и образовать мезонные молекулы , dp или dd, 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->3Не +  или d + d->3Не + n, d + d -> T + р, протекающие с выделением энергии (T - ядро трития). После акта реакции - 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 - не может быть использован, так как число ядерных реакций, вызываемых M. за время его жизни, оказывается небольшим.

Лит.: Вайсенберг А. О., Мю-мезон, M., 1964 (Современные проблемы физики); Бугаев Э. В., Котов Ю. Д , Розенталь И. Л, Космические мюоны и нейтрино, M., 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.

Яндекс.Метрика

© (составление) libelli.ru 2003-2017