Страница 8 из 11
(где е+, е-, ne, — 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 + 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 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 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 I = -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—1013 эв 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.
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 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 mm/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.