Мюоны. Неуловимый мюон или почему зимой не бывает грозы

Буквы μ , использующейся для обозначения) в стандартной модели физики элементарных частиц - неустойчивая элементарная частица с отрицательным электрическим зарядом и спином 1 ⁄ 2 . Вместе с электроном , тау-лептоном и нейтрино классифицируется как часть лептонного семейства фермионов . Так же как они, мюон, по-видимому, бесструктурен и не состоит из каких-то более мелких частиц. Как и все фундаментальные фермионы, мюон имеет античастицу с квантовыми числами (в том числе зарядом) противоположного знака, но с равной массой и спином: а̀нтимюо́н (чаще частицу и античастицу называют соответственно отрицательным и положительным мюоном). Мюонами называют также мюоны и антимюоны в совокупности. Ниже термин «мюон» употребляется в этом значении, если не оговорено обратное.

По историческим причинам, мюоны иногда называют мю-мезонами , хотя они не являются мезонами в современном представлении физики элементарных частиц. Масса мюона в 207 раз больше массы электрона; по этой причине мюон можно рассматривать как чрезвычайно тяжёлый электрон. Мюоны обозначаются как μ − , а антимюоны как μ + .

На Земле мюоны регистрируются в космических лучах, они возникают в результате распада заряженных пионов . Пионы создаются в верхних слоях атмосферы первичными космическими лучами и имеют очень короткое время распада - несколько наносекунд. Время жизни мюонов достаточно мало - 2,2 микросекунды, тем не менее эта элементарная частица рекордсмен по времени жизни и дольше её не распадается только свободный нейтрон . Однако мюоны космических лучей имеют скорости, близкие к скорости света , так что из-за эффекта замедления времени специальной теории относительности их легко обнаружить у поверхности Земли.

Как и в случае других заряженных лептонов, существует мюонное нейтрино (и антинейтрино), которое имеет тот же аромат, что и мюон (антимюон). Мюонные нейтрино обозначаются как ν μ , антинейтрино - ν μ . Мюоны почти всегда распадаются в электрон, электронное антинейтрино и мюонное нейтрино (соответственно антимюоны - в позитрон , электронное нейтрино и мюонное антинейтрино); существуют также более редкие типы распада, когда возникает дополнительный фотон или электрон-позитронная пара.

История

Это вызвало большую теоретическую дискуссию, которая завершилась объяснением того, как появляется положительный мюон. Столкновение нейтрино и протона производит не только протонные осколки и отрицательный мюон, но и очарованный кварк , который вскоре распадается в странный кварк , мюонное нейтрино и положительный мюон.

Экзотические атомы

Мюонные атомы

Мюоны были первыми открытыми элементарными частицами , которые не встречались в обычных атомах . Отрицательные мюоны могут, однако, формировать мюонные атомы , заменяя электроны в обычных атомах. Решение уравнения Шредингера для водородоподобного атома показывает, что характерный размер получаемых волновых функций (то есть радиус Бора, если решение проводится для атома водорода с привычным электроном) обратно пропорционален массе частицы движущейся вокруг атомного ядра . В силу того, что масса мюона более чем в двести раз превосходит массу электрона, размер получаемой «мюонной атомной орбитали » во столько же раз меньше аналогичной электронной. В результате, уже для ядер с зарядовым числом Z = 5-10 размеры мюонного облака сравнимы или не более чем на порядок превосходят размеры ядра, и неточечность ядра начинает оказывать сильное влияние на вид волновых функций мюона. Как следствие, изучение их энергетического спектра (иначе говоря, линий поглощения мюонного атома) позволяет «заглянуть» в ядро и исследовать его внутреннюю структуру. Также малые размеры атомов позволяют атомным ядрам сильно сблизиться и слиться, что используется для осуществления термоядерного синтеза (см. мюонный катализ).

Мюоний

Положительный мюон, остановленный в обычной материи, может связать электрон и сформировать мюоний (Mu) - атом, в котором мюон действует как ядро. Приведенная масса мюония и, следовательно, его боровский радиус близки к соответствующим величинам для водорода , вследствие чего этот короткоживущий атом в первом приближении ведет себя в химических реакциях как сверхлёгкий изотоп водорода.

Практическое использование

Этот метод получил дальнейшее развитие в начале XXI века в связи с задачей выявления ядерной контрабанды . Детектирование мюонов, прошедших через груз, позволяет определить наличие в нём тяжёлых элементов, в том числе, свинца , урана и плутония . Более тяжёлые элементы сильнее отклоняют мюоны в актах рассеяния, поэтому, установив газоразрядные детекторы (дрейфовые камеры) сверху и снизу исследуемого объекта и сравнивая треки мюонов в них, можно определить наличие подозрительных элементов.

Этот метод получил название мюонной томографии . Работы по его разработке были начаты в Лос-Аламосской национальной лаборатории в 2003 году под руководством Кристофера Морриса. В 2012 году были проведены первые тесты опытного образца в терминале Фрипорта на Багамских островах . Тесты показали, что оборудование определяет наличие подозрительных материалов с практически стопроцентной надёжностью .

В 2015 году были произведены испытания метода мюонной томографии как метода неразрушающего контроля в электроэнергетике для оценки степени деградации бетона , состояния задвижек и измерения толщин стенок труб .

См. также

30px	мюон в Викисловаре
30px	[[|Мюон]] в Викицитатнике
	[[Ошибка Lua в Модуль:Wikidata/Interproject на строке 17: attempt to index field "wikibase" (a nil value). |Мюон]] в Викитеке
30px	[{{localurl:Commons:Category:Ошибка Lua: callParserFunction: function "#property" was not found. }}?uselang=ru Мюон] на Викискладе

Напишите отзыв о статье "Мюон"

Примечания

Литература

• Давыдов А. С. . - 1963. - 747 с.
• Белоусов Ю. М. , Статьи соросовского образовательного журнала

Просмотр этого шаблона Фундаментальные частицы Составные частицы Соединения фундаментальных и/или составных частиц Обычные Необычные Другие классификации частиц

Отрывок, характеризующий Мюон

– Ой, пожалуйста, а можно нам посмотреть, какая у вас здесь «живность»? – неожиданно для меня, спросила Стелла.
Конечно же, я бы хотела посмотреть что-то другое, но деваться было некуда – сама предложила ей выбирать...
Мы очутились в подобии очень яркого, бушующего красками леса. Это было совершенно потрясающе!.. Но я вдруг почему-то подумала, что долго я в таком лесу оставаться не пожелала бы... Он был, опять же, слишком красивым и ярким, немного давящим, совсем не таким, как наш успокаивающий и свежий, зелёный и светлый земной лес.
Наверное, это правда, что каждый должен находиться там, чему он по-настоящему принадлежит. И я тут же подумала о нашей милой «звёздной» малышке... Как же ей должно было не хватать своего дома и своей родной и знакомой среды!.. Только теперь я смогла хотя бы чуточку понять, как одиноко ей должно было быть на нашей несовершенной и временами опасной Земле...
– Скажи пожалуйста, Вэя, а почему Атис назвал тебя ушедшей? – наконец-то спросила назойливо кружившейся в голове вопрос я.
– О, это потому, что когда-то очень давно, моя семья добровольно ушла помогать другим существам, которым нужна была наша помощь. Это у нас происходит часто. А ушедшие уже не возвращаются в свой дом никогда... Это право свободного выбора, поэтому они знают, на что идут. Вот потому Атис меня и пожалел...
– А кто же уходит, если нельзя вернуться обратно? – удивилась Стелла.
– Очень многие... Иногда даже больше чем нужно, – погрустнела Вэя. – Однажды наши «мудрые» даже испугались, что у нас недостаточно останется виилисов, чтобы нормально обживать нашу планету...
– А что такое – виилис? – заинтересовалась Стелла.
– Это мы. Так же, как вы – люди, мы – виилисы. А наша планета зовётся – Виилис. – ответила Вэя.
И тут только я вдруг поняла, что мы почему-то даже не додумались спросить об этом раньше!.. А ведь это первое, о чём мы должны были спросить!
– А вы менялись, или были такими всегда? – опять спросила я.
– Менялись, но только внутри, если ты это имела в виду, – ответила Вэя.
Над нашими головами пролетела огромная, сумасшедше яркая, разноцветная птица... На её голове сверкала корона из блестящих оранжевых «перьев», а крылья были длинные и пушистые, как будто она носила на себе разноцветное облако. Птица села на камень и очень серьёзно уставилась в нашу сторону...
– А что это она нас так внимательно рассматривает? – поёжившись, спросила Стелла, и мне показалось, что у неё в голове сидел другой вопрос – «обедала ли уже эта «птичка» сегодня?»...
Птица осторожно прыгнула ближе. Стелла пискнула и отскочила. Птица сделала ещё шаг... Она была раза в три крупнее Стеллы, но не казалась агрессивной, а скорее уж любопытной.
– Я что, ей понравилась, что ли? – надула губки Стелла. – Почему она не идёт к вам? Что она от меня хочет?..
Было смешно наблюдать, как малышка еле сдерживается, чтобы не пуститься пулей отсюда подальше. Видимо красивая птица не вызывала у неё особых симпатий...
Вдруг птица развернула крылья и от них пошло слепящее сияние. Медленно-медленно над крыльями начал клубиться туман, похожий на тот, который развевался над Вэйей, когда мы увидели её первый раз. Туман всё больше клубился и сгущался, становясь похожим на плотный занавес, а из этого занавеса на нас смотрели огромные, почти человеческие глаза...
– Ой, она что – в кого-то превращается?!.. – взвизгнула Стелла. – Смотрите, смотрите!..
Смотреть и правда было на что, так как «птица» вдруг стала «деформироваться», превращаясь то ли в зверя, с человеческими глазами, то ли в человека, со звериным телом...
– Что-о это? – удивлённо выпучила свои карие глазки моя подружка. – Что это с ней происходит?..
А «птица» уже выскользнула из своих крыльев, и перед нами стояло очень необычное существо. Оно было похоже на полуптицу-получеловека, с крупным клювом и треугольным человеческим лицом, очень гибким, как у гепарда, телом и хищными, дикими движениями... Она была очень красивой и, в то же время, очень страшной.
– Это Миард. – представила существо Вэя. – Если хотите, он покажет вам «живность», как вы говорите.
У существа, по имени Миард, снова начали появляться сказочные крылья. И он ими приглашающе махнул в нашу сторону.
– А почему именно он? Разве ты очень занята, «звёздная» Вэя?
У Стеллы было очень несчастное лицо, потому что она явно боялась это странное «красивое страшилище», но признаться в этом ей, по-видимому, не хватало духу. Думаю, она скорее бы пошла с ним, чем смогла бы признаться, что ей было просто-напросто страшно... Вэя, явно прочитав Стеллины мысли, тут же успокоила:
– Он очень ласковый и добрый, он понравится вам. Вы ведь хотели посмотреть живое, а именно он и знает это лучше всех.
Миард осторожно приблизился, как будто чувствуя, что Стелла его боится... А мне на этот раз почему-то совершенно не было страшно, скорее наоборот – он меня дико заинтересовал.
Он подошёл в плотную к Стелле, в тот момент уже почти пищавшей внутри от ужаса, и осторожно коснулся её щеки своим мягким, пушистым крылом... Над рыжей Стеллиной головкой заклубился фиолетовый туман.
– Ой, смотри – у меня так же, как у Вэйи!.. – восторженно воскликнула удивлённая малышка. – А как же это получилось?.. О-о-ой, как красиво!.. – это уже относилось к появившейся перед нашим взором новой местности с совершенно невероятными животными.
Мы стояли на холмистом берегу широкой, зеркальной реки, вода в которой была странно «застывшей» и, казалось, по ней можно было спокойно ходить – она совершенно не двигалась. Над речной поверхностью, как нежный прозрачный дымок, клубился искрящийся туман.
Как я наконец-то догадалась, этот «туман, который мы здесь видели повсюду, каким-то образом усиливал любые действия живущих здесь существ: открывал для них яркость видения, служил надёжным средством телепортации, вообще – помогал во всём, чем бы в тот момент эти существа не занимались. И думаю, что использовался для чего-то ещё, намного, намного большего, чего мы пока ещё не могли понять...
Река извивалась красивой широкой «змеёй» и, плавно уходя в даль, пропадала где-то между сочно-зелёными холмами. А по обоим её берегам гуляли, лежали и летали удивительные звери... Это было настолько красиво, что мы буквально застыли, поражённые этим потрясающим зрелищем...
Животные были очень похожи на невиданных царственных драконов, очень ярких и гордых, как будто знающих, насколько они были красивыми... Их длиннющие, изогнутые шеи сверкали оранжевым золотом, а на головах красными зубцами алели шипастые короны. Царские звери двигались медленно и величественно, при каждом движении блистая своими чешуйчатыми, перламутрово-голубыми телами, которые буквально вспыхивали пламенем, попадая под золотисто-голубые солнечные лучи.
– Красоти-и-и-ще!!! – в восторге еле выдохнула Стелла. – А они очень опасные?
– Здесь не живут опасные, у нас их уже давно нет. Я уже не помню, как давно... – прозвучал ответ, и тут только мы заметили, что Вэйи с нами нет, а обращается к нам Миард...
Стелла испуганно огляделась, видимо не чувствуя себя слишком комфортно с нашим новым знакомым...
– Значит опасности у вас вообще нет? – удивилась я.
– Только внешняя, – прозвучал ответ. – Если нападут.
– А такое тоже бывает?
– Последний раз это было ещё до меня, – серьёзно ответил Миард.
Его голос звучал у нас в мозгу мягко и глубоко, как бархат, и было очень непривычно думать, что это общается с нами на нашем же «языке» такое странное получеловеческое существо... Но мы наверное уже слишком привыкли к разным-преразным чудесам, потому что уже через минуту свободно с ним общались, полностью забыв, что это не человек.
– И что – у вас никогда не бывает никаких-никаких неприятностей?!. – недоверчиво покачала головкой малышка. – Но тогда вам ведь совсем не интересно здесь жить!..
В ней говорила настоящая, неугасающая Земная «тяга к приключениям». И я её прекрасно понимала. Но вот Миарду, думаю, было бы очень сложно это объяснить...
– Почему – не интересно? – удивился наш «проводник», и вдруг, сам себя прервав, показал в верх. – Смотрите – Савии!!!
Мы взглянули на верх и остолбенели.... В светло-розовом небе плавно парили сказочные существа!.. Они были совершенно прозрачны и, как и всё остальное на этой планете, невероятно красочны. Казалось, что по небу летели дивные, сверкающие цветы, только были они невероятно большими... И у каждого из них было другое, фантастически красивое, неземное лицо.
– О-ой.... Смотри-и-те... Ох, диво како-о-е... – почему-то шёпотом произнесла, совершенно ошалевшая Стелла.
По-моему, я никогда не видела её настолько потрясённой. Но удивиться и правда было чему... Ни в какой, даже самой буйной фантазии, невозможно было представить таких существ!.. Они были настолько воздушными, что казалось, их тела были сотканы из блистающего тумана... Огромные крылья-лепестки плавно колыхались, распыляя за собой сверкающую золотую пыль... Миард что-то странно «свистнул», и сказочные существа вдруг начали плавно спускаться, образуя над нами сплошной, вспыхивающий всеми цветами их сумасшедшей радуги, огромный «зонт»... Это было так красиво, что захватывало дух!..
Первой к нам «приземлилась» перламутрово-голубая, розовокрылая Савия, которая сложив свои сверкающие крылья-лепестки в «букет», начала с огромным любопытством, но безо всякой боязни, нас разглядывать... Невозможно было спокойно смотреть на её причудливую красоту, которая притягивала, как магнит и хотелось любоваться ею без конца...
– Не смотрите долго – Савии завораживают. Вам не захочется отсюда уходить. Их красота опасна, если не хотите себя потерять, – тихо сказал Миард.
– А как же ты говорил, что здесь ничего опасного нет? Значит это не правда? – тут же возмутилась Стелла.
– Но это же не та опасность, которую нужно бояться или с которой нужно воевать. Я думал вы именно это имели в виду, когда спросили, – огорчился Миард.
– Да ладно! У нас, видимо, о многом понятия будут разными. Это нормально, правда ведь? – «благородно» успокоила его малышка. – А можно с ними поговорить?

МЮОНЫ (устар. мюмезоны; m)-заряженные со спином 1 / 2 . временем жизни 2,2 . 10 -6 с, массой, приблизительно в 207 раз превышающей массу электрона (в энергетич. единицах ок. 105,7 МэВ); относятся к классу лептопов . Отрицательно заряженный (m -) и положительно заряженный (m +) М. являются частицей и античастицей по отношению друг к другу.

Открытие . M. были впервые обнаружены в космических лучах (1936-37) К. Андерсоном (С. D. Ander-son) и С. Неддермейером (S. H. Neddermeyer). Вначале M. пытались отождествить с частицей, к-рая, согласно гипотезе X. Юкавы (H. Yukawa), является переносчиком ядерных сил. Однако такая частица должна была бы интенсивно взаимодействовать с ядрами, тогда как опытные данные показывали, что M. слабо взаимодействуют с веществом. Об этом свидетельствовал сам факт обнаружения M. на уровне моря: частицы, обладающие , должны были бы практически полностью поглотиться в атмосфере Земли. Этот "парадокс" был разрешён в 1947 после открытия пи-мезонов , обладающих свойствами частицы, предсказанной Юкавой и распадающейся на M. и нейтрино :

p + m + + v m , p - m - + m .

Источники . Осн. источником M. в космич. лучах на ускорителях высоких энергий является распад p-ме-зонов (пионов) и К-мезонов (каонов), интенсивно рождающихся при столкновениях адронов (напр., протонов) с ядрами вещества. Др. источником M. могут быть, напр., процесс рождения пар m + m - фотонами высоких энергий, распады гиперонов, очарованных частиц . На уровне моря M. образуют осн. компоненту (~80%) всех частиц космич. излучения. На совр. ускорителях высокой энергии получают пучки M. с интенсивностью до 10 8 -10 9 частиц в 1 с.

Поскольку спин мюонного нейтрино v m , возникающего вместе с m + , ориентирован против направления импульса v m , а спин мюонного , возникающего вместе с m - , - в направлении импульса , M., образующиеся от двухчастичных распадов p mv , К mv , имеют "вынужденное" направление спина, определяемое законами сохранения импульса и угл. момента: спин m + от распада покоящихся пионов и каонов по каналу p + m + v m , K + m + v m направлен против импульса m + , а спин m - - в направлении его импульса. Этот факт проверен прямыми экспериментами. В др. реакциях (напр., K + p 0 m + v m , K~ p 0 m - ) ориентация спина M. противоположна "вынужденной" в соответствии с тем, что в с заряженными токами m - входит с отрицательной, a m + с положительной спиральностями .

T. к. пионы практически полностью распадаются по каналу p mv , а для заряж. каопов реакция К mv происходит с вероятностью 63,5% (вероятность распада К pmv составляет ок. 3%), то в зависимости от кине-матич. условий образования M. и экспериментального их выделения (а также от спектра пионов и каонов) они оказываются частично или полностью поляризованными в направлении своего импульса (m -) или против него (m +).

При импульсах пионов p p >= (m 2 p - т 2 m )/ 2т m 39,3 МэВ (в системе единиц, в к-рой с = 1) все образующиеся в распаде p mv М. летят в переднюю (относительно импульса пиона) полусферу (m i - масса частицы г). M. от распада ультрарелятивистских пионов ( >> т p )летят в лаб. системе в узком конусе с углом раствора J макc , определяемым условием

(где импульс пиона р p выражен в ГэВ). При этом M. равномерно распределены по энергии в области от ( m) мин (m m /m p) 2 0,57 до () макс p , т. е. не могут иметь энергию меньше 0,57 p . M. вблизи верх. края спектра () вылетают в системе покоя пиона в направлении его импульса (и имеют соответственно положит. спиральность для m - и отрицательную для m + в лаб. системе), в то время как M. вблизи ниж. границы спектра () вылетают (в системе покоя пиона) против его импульса и имеют в лаб. системе противоположные значения спиральности. Используя магн. анализ, можно, т. о., экспериментально выделить M. с любыми значениями спиральности.

Взаимодействия мюонов

Мюоновое число . M. обладают универсальным электрослабым взаимодействием и вместе с мюонным нейтрино составляют "второе поколение" пептонов[наряду с первым и третьим ]. Лептоны,входящие в разл. поколения, отличаются лептонными числами (электронным, мюонным, т-лептонным), сохраняющимися с высокой степенью точности (хотя в нек-рых теоретич. моделях и предсказывается возможность их нарушения). О сохранении мюонного числа свидетельствует, напр., отсутствие на опыте процессов m b e b · g и m b е b е + e - на уровне, меньшем соответственно 5 . 10 -11 и 2,4·10 -12 от вероятности всех др. распадов M.), а также отсутствие процессов m - A Z e - A Z и m - А Z e + A Z _ 2 для ряда ядер с Z (в единицах элементарного заряда е )и массовым числом А (на уровне, меньшем соответственно 6·10 -12 н 3 . 10 -10), к-рые могли бы происходить в случае несохранения мюонного числа.

Отсутствие аномальных взаимодействий . Экспериментально не обнаружено наличие у M. к--л. аномальных (отличных от универсального электрослабого) взаимодействий. Одним из сильных (косвенных) экс-перим. ограничений на отсутствие аномальных взаимодействий M. является измерение с очень высокой точностью его магн. момента:

Полученное значение согласуется с предсказаниями квантовой электродинамики и указывает, что размер M. меньше 10 -16 см (см. Аномальный магнитный момент ).Поиск аномальных взаимодействий M. активно проводился в связи с теоретич. попытками объяснить за счёт таких взаимодействий большое различие масс M. и электрона при универсальности их слабых и эл--магп. взаимодействий (т. н. проблема m-е-универ-сальности). После открытия новых поколений фермио-нов (т-лептона и тяжёлых кварков )указанная проблема переросла в общую проблему поиска механизма, обусловливающего возникновение масс лептонов и . В теоретич. моделях, согласно к-рым массы лептонов и кварков возникают благодаря взаимодействию с Хиг-гса бозонами , различие в массах связывается с неуни-версальностью этого взаимодействия.

Взаимодействие мюонов с нейтральными токами . Универсальный характер электрослабого взаимодействия M. и др. лептонов с нейтральными токами подтверждается прямыми экспериментами по распадам Z 0 -бозо-на, Z 0 m + m - , е + е - , и косвенными измерениями нарушения зеркальной и зарядовой в процессах е + е - m + m - , t + t - на встречных электрон-позитрон-ных пучках, а также в рассеянии поляризованных m b на ядрах (в этих процессах происходит эл--магн. взаимодействия p слабого взаимодействия, обусловленного обменом Z 0 -бозоном).

Взаимодействие мюонов с заряженными токами . m-pаспад. Распад M. происходит благодаря слабому взаимодействию токов (v m m) u (v e e):

Тип нейтрино, испускаемых в распаде M., определяется законом сохранения лептонных чисел M. и электронов. Он подтверждается прямыми нейтринными экспериментами. Так, в экспериментах с мюонными нейтрино высоких энергий наблюдался обратный m-распад, идущий по схеме v m e - m - v e на электронах вещества (порог этой реакции в лаб. системе ок. 10 ГэВ), и не наблюдалось рождения M. в пучке мюонных антинейтрино. (Последняя реакция должна была бы происходить, если бы в распаде m - хотя бы частично испускалось мюонное антинейтрино, напр. происходила бы реакция m - е - v e .) С др. стороны, как показывает эксперимент на мезонной фабрике , нейтрино от распада m + , останавливающиеся в веществе, рождают в детекторе электроны (в результате реакции v e A Z e - A Z+1) и не рождают позитронов (к-рые могли бы возникать от реакцииA Z e + A Z-1). Тем самым доказывается, что в распаде m + возникает электронное нейтрино v e (и не рождается антинейтрино). Одновременно получаются также эксперим. ограничения сверху на вероятности переходов v e и . Достигнутая в экспериментах точность позволяет утверждать, что вероятность распада по каналу (если он существует) составляет во всяком случае менее 5% от вероятности распада по каналу (1). Все наблюдаемые характеристики распада M. (1) [спектр электронов (позитронов), асимметрия их вылета относительно направления спина M. и её энергетич. зависимость, продольная и поперечная электронов (позитронов)] полностью согласуются с (V - A) -вариантом слабого взаимодействия заряженных токов (v m m) и (v e e). Полная вероятность (Г 0) распада M. по каналу (1) в единицу времени, равная обратному времени жизни M. в вакууме т m , определяется (в единицах = с = 1) выражением

где G F -константа универсального (V - A )-взаимодействия (константа Ферми), a т m = 2,19709(5) ·10 -8 с. Распад M. (1) с участием одних только лептонов даёт уникальную возможность наиб. точного эксперим. нахождения константы Ферми. Сравнение константы Ферми, определённой из распада M., с константами полулептонных распадов с изменением и без изменения странности позволяет найти углы смешивания кварков (в частности, Кабиббо угол ]. Величина G F была использована также для предсказания масс промежуточных векторных бозонов W + , Z 0 . Для определения G F с точностью лучшей, чем 1% , необходимо учитывать радиационные поправки к процессу (1) за счёт виртуальных фотонов.

Для полностью поляризованного M. (=1) без учёта радиац. поправок

Спектр электронов (позитронов) получается из (3) интегрированием по телесному углу d W и имеет вид

(В общем случае произвольного четырёхфермионного взаимодействия этот спектр характеризуется т. н. п а р а м е т р о м М и ш е л я r.) Наиб. вероятным оказывается вылет электронов (позитронов) с максимально возможными значениями импульса (рис. 1).

Рис. 1. Энергетический спектр электронов (по зитронов) m - е-распада .

Асимметрия вылета е - (е +) относительно спина M., согласно (3), зависит от их энергии. В области высоких энергий (e ~ 1) угл. распределение определяется фактором (1 b cos J), в то время как для низких энергий (e << 1) - фактором (1 b 1 / 3 cosJ). T. о., асимметрия имеет разный знак для высоко- и низкоэнергетич. областей спектра. Усреднение (3) по спектру даёт:

Знак усреднённой по спектру асимметрии совпадает со знаком асимметрии в высокоэнергетич. области спектра, т. к. в ней содержится большая доля электронов (позитронов). Указанные закономерности качественно объясняются учётом спиральностей частиц в распаде (1). Макс. энергии е - (е +) отвечает распада (1), когда оба нейтрино образуются с одинаковыми и параллельными импульсами. В этом случае их суммарный спин равен нулю, и из сохранения момента следует, что электрон, имеющий отрицат. спиральность, должен в осн. вылетать в направлении, противоположном спину m - , а позитрон, имеющий положит. спиральность,- в направлении спина m + (рис. 2, а, б) . Если энергия е - (е +) много меньше энергии m-распада, то нейтрино должны двигаться с приблизительно равными и противоположно направленными импульсами. В этом случае их суммарный спин равен 1 и направлен вдоль импульса в распаде m + и против импульса v m в распаде m - . Сохранение момента требует в этой ситуации, чтобы импульс е + был преим. направлен против спина m + , а импульс е - - вдоль спина m - (рис. 3, а, б) .

Рис. 2. Схематическое изображение распада m + (a ) и m - (б ) для энергии электронов (позитронов ) вблизи верхней границы спектра; тонкие стрелки - направление импульсов частиц, двойные - направ ление их спинов .

Рис. 3. То же, что на рис. 2, вблизи нижней гра ницы спектра е + (a ) и е - (б ) .

Рис. 2 и 3 наглядно демонстрируют нарушения зеркальной (P ) и зарядовой (С )симметрии в процессах m + -распадов. О первом свидетельствует наличие асимметрии вылета электрона (позитрона) относительно плоскости, перпендикулярной спину M., а о втором - разл. знак этой асимметрии в распадах m + и m - . Вместе с тем очевидно выполнение комбинированной (CP) симметрии: распад m - выглядит как отражённый в зеркале распад m + (при отражении в плоскости, перпендикулярной спину, его направление не меняется, а перпендикулярная плоскости компонента импульса меняется на противоположную).

Существование асимметрии вылета позитронов относительно спина M. в m + е + -распаде позволяет по измерениям угл. распределения электронов определить поляризацию M., и её изменение со временем, происходящее, напр., в результате прецессии спина M. во внеш.

магн. поле (или в локальных магн. полях в веществе), образования мюония , его хим. реакций в веществе и т. д. На этой основе создан оригинальный метод изучения вещества и кинетич. явлений (т. н. mSR -ме-тод), существенно дополняющий такие классич. методы, как ЯМР, ЭПР, нейтронография.

Согласно (V - А )теории, электроны (позитроны) от распадов M. должны обладать продольной поляризацией Р е+ = - Р е- = u/c 1 . Этот факт подтверждён экспериментально (с точностью ~6%). Проводились поиски поперечной поляризации е + (е -) в распаде M. Наличие такой поляризации свидетельствовало бы о примеси др. вариантов слабого взаимодействия, отличных от (V - А) . При этом обнаружение поляризации е + (е -), перпендикулярной плоскости, в к-рой лежат спин M. и импульс е + (е -), явилось бы доказательством нарушения T -ин-вариантности (см. Обращение времени ).Эксперимент показывает отсутствие такой поляризации, устанавливая для неё верхний предел на уровне ~2%.

m- захват. Захват m - ядрами вещества является процессом, к-рый совместно с m-распадом определяет "время жизни" отрицательно заряженных M. в веществе. Попадая в конденсиров. вещество, m - за времена порядка 10 -9 с тормозятся до скоростей атомных электронов и захватываются ядрами на возбуждённые орбиты m-мезоатомов (см. Мюонный атом ).Далее путём серии каскадных переходов за времена меньше 10 -11 с переходят на K -орбиту мезоатома. (В процессе этих переходов происходит за счёт спин-орбитального взаимодействия деполяризация первоначально поляризованных m - , так что на K -орбите мезоатома поляризация m- не превышает 15-20%.) Ядерный захват m - происходит с K -орбиты мезоатома благодаря слабому взаимодействию, приводящему к реакции

на одном из протонов ядра. При этом процесс захвата m - ядром может существенно отличаться от m-захвата свободным протоном (6) и требует рассмотрения коллективных возбуждений образующегося ядра. Реакции (6) соответствует элементарное слабое взаимодействие заряж. токов: лептонного (mv m) и кваркового (ud) , приводящее к превращению кварков внутри нуклонов:

Вероятность m-захвата лёгкими ядрами пропорциональна Z 4 и при Z 6 сравнивается с вероятностью m-распада. Такая закономерность обусловлена тем, что вероятность m-захвата пропорциональна числу протонов в ядре (Z )и значению квадрата модуля волновой ф-ции M., находящегося на K -орбите, в точке нахождения ядра: |y(0)| = Z 3 /pa 3 m (где a m = 2 /m m е 2 = = 2,5 . 10 -11 см - боровский радиус для M.). Указанное расстояние предполагает, что радиус К -орбиты мезоатома больше размеров ядра. Оно не применимо для Z 30, когда радиус K -орбиты a m /Z становится сравнимым с радиусом ядра. Для этих значений Z вероятность m-захвата слабо зависит от Z . Время жизни m - в соответствующих веществах определяется в осн. вероятностью m-захвата и составляет ~10 -7 с. M. на К -орбите мезоатома, ядро к-рого обладает отличным от нуля спином, может находиться в разл. состояниях сверхтонкой структуры, отвечающих разл. ориентации спина M. и ядра. Благодаря спиновой зависимости универсального слабого (V - А )взаимодействия вероятность m-захвата из разных состояний сверхтонкой структуры может сильно различаться. Так, для мезоатома водорода pm вероятность захвата из нижнего, синглетного состояния сверхтонкой структуры (отвечающего полному спину F = 0) составляет L 0 (p m) 660 с -1 , в то время как вероятность захвата из триплетного состояния (F = 1 )L 1 (p m) 12 с -1 . Измеряя экспериментально вероятности m-захвата из разл. состояний сверхтонкой структуры, можно получить ценные сведения о формфакторах слабого взаимодействия. В частности, m-захват предоставляет уникальную возможность измерения константы т. н. индуциров. псевдоскаляра (g P) , величина к-рой предсказывается теорией частично сохраняющегося аксиального тока (см. Аксиального тока частичное сохранение ).Полученные данные хорошо согласуются с теоре-тич. предсказаниями. Наиб. важные сведения (с точки зрения возможности их теоретич. интерпретации) получаются из экспериментов по m-захвату простейшими ядрами: протоном, дейтроном, Не 3 . Вместе с тем экспе-рим. изучение процесса m-захвата сложными ядрами даёт, напр., возможность выяснить важный вопрос о перенормировке константы g P в ядерной материи. Следует отметить, что захвату M. в водороде и дейтерии предшествует стадия разнообразных мезомолеку-лярных процессов (переход в ниж. состояние сверхтонкой структуры, образование мезомолекул), увеличивающих в неск. раз вероятность m-захвата в этих веществах.

Элементарное слабое взаимодействие заряж. токов (mv m) и (ud) , ведущее к m-захвату, подробно изучено в нейтринных реакциях на водороде, дейтерии и сложных ядрах. Эти реакции сводятся к элементарным процессам v m + d и + m - , + и d + m + , + d + m + и используются для определения структурных функций кварков и антикварков.

Слабое взаимодействие мюонов с т-лептоном и тяжёлыми кварками . Помимо слабого взаимодействия заряж. тока (mv m) с токами (ev e) и (ud )экспериментально изучены также процессы, вызываемые взаимодействием тока (mv m) с кварковыми токами (us), (cs), (cd )и (cb )[полулептонные (в ряде случаев - чисто лептонные) распады странных очарованных и красивых (прелестных) частиц, нейтринные реакции с испусканием M. и рождением странных и очарованных частиц]. Взаимодействие токов (mv m) и (тv т) проявляется в распадах т-лептона и согласуется с теорией электрослабого взаимодействия.

Проникающая способность мюонов

M. высокой энергии тормозятся в веществе за счёт эл--магн. взаимодействия с электронами и ядрами вещества. До энергий 10 11 -10 12 эВ M. теряют энергию в осн. на ионизацию атомов среды [прибл. 2 МэВ/(г/см 2) вещества, напр. ~1,5 ГэВ на 1 м пути, проходимого в железе). Cp. пробег M. в этой области растёт пропорционально их энергии, а их угл. отклонение определяется многократным кулоновским рассеянием на ядрах вещества. T. к. m m >> m е, вероятность потери энергии M. в результате тормозного излучения или рождения пар е + е - значительно меньше, чем для электронов (указанные процессы, а также расщепление атомных ядер начинают играть доминирующую роль при энергиях M. выше 10 12 эВ, ограничивая дальнейший линейный рост длины пробега M. в веществе с увеличением энергии). Эти факторы вместе с отсутствием у M. сильного взаимодействия обусловливают высокую проникающую способность M. как по сравнению с адронами, так и по сравнению с электронами и g-квантами. В результате M. космич. лучей не только легко проникают через атмосферу Земли, но и углубляются в грунт на значит. расстояния (в зависимости от их энергии). В подземных экспериментах M. космических лучей с энергией больше 10 12 эВ регистрируются на глубине неск. км.

Большая проникающая способность при высоких энергиях позволяет легко выделять M. экспериментально среди др. заряж. частиц по их способности проходить через толстые (в неск. м) фильтры (напр., из железа). Таким способом изучались каналы распадов Z 0 m + m - , J /y m + m - , e m + m - и др.

Лит.: Muon physics, ed. by V. W. Hughes, C. S. Wu, v. l-3, N. Y.- [а. о.], 1975; Вайсенберг А. О., Мю-мезон M 1964; Балашов В. В., Коренман Г. Я., Эрамжян P. А., Поглощение мезонов атомными ядрами, М., 1978; Окунь Л. Б., Лептоны и кварки, M., 1981. С. С. Герштейн .

Схема из статьи А. Левина Космические дожди

А вот и наши почти неуловимые мюоны (почти что отрицательно заряженные нейтроны) из предыдущей статьи

Под катом привожу статью о мюонах, а также вопрос из нее, который я тоже задал себе в комментариях к предыдущему посту. А именно - почему зимой не бывает грозы?

Сто лет назад Виктор Гесс открыл, что Земля постоянно подвергается бомбардировке космическими лучами. Так называют потоки заряженных частиц, прилетающих к нам откуда-то сверху. Механизм их образования, вкратце, таков. Протон большой энергии, прилетевший откуда-то из глубокого космоса, сталкивается высоко в атмосфере с ядром молекулы и порождает ливень вторичных адронов . В нем есть осколки ядер, протоны, нейтроны, а также разнообразные нестабильные мезоны, в особенности самые легкие из них — пионы, которые распадаются на лету (рис. вверху поста).

В космических лучах имеется также и значительная доля мюонов — тяжелых собратьев электронов . Мюоны не участвуют в сильном взаимодействии, поэтому они обычно не рождаются напрямую в первичном столкновении, а появляются в космических лучах потом, из распада заряженных пионов. Поскольку они живут довольно долго (мы в этой задаче будем вообще их считать стабильными), то они успевают долететь до Земли, где и регистрируются. Кроме того, мюоны обладают очень большой проникающей способностью по сравнению с другими заряженными частицами. Если забраться под Землю, хотя бы на глубину в несколько метров, то от космических лучей только мюоны да неуловимые нейтрино, собственно, и остаются .

За прошедший век физики изучили свойства космических лучей и всех их компонент вдоль и поперек. Аккуратные измерения с помощью подземных детекторов показали, что поток мюонов не постоянен, а испытывает небольшие сезонные колебания. Более того, установлено даже, что он сильно коррелирует с температурой атмосферы . На первый взгляд, такая связь может показаться парадоксальной. Поток первичных космических лучей от времени года не зависит — ведь они прилетают из космоса. Процессы рождения и распада элементарных частиц вообще относятся к микромиру. Тогда какое отношение к этому всему может иметь температура атмосферы? Тем не менее этот экспериментальный факт известен давно и регулярно подтверждается новыми детекторами.

Задача

Объясните, почему поток мюонов, порожденных космическими лучами в атмосфере, зависит от температуры атмосферы. Когда этот поток выше — зимой или летом?

Потому ответим проще - поток мюонов выше летом вследствие особенностей атмосферы Земли.

P.S. : Вдогонку - не является ли мюонный поток электричеством Теслы - тем самым "холодным огнем" или как назвали это в честь Александра Чижевского - аэроионами Чижевского?

Тесла хотел отказаться раз и навсегда от использования мыла и воды в ванных комнатах.
Под воздействием аномалии, известной как "холодный огонь», человеческое тело находится под напряжением переменного тока в 2,5 миллионов вольт, при этом человек должен стоять на металлической пластине. Со стороны это выглядит так, как будто человек полностью окутан огнем. Этот метод работает благодаря проводимости человеческой кожи и, как правило, он эффективнее, чем мытье с мылом и водой. Также Тесла утверждал, что с помощью холодного огня человек не только очищается, а и получает огромный заряд бодрости. Об этом изобретении забыли из-за отсутствия финансирования.

С тех самых пор, как человек начал создавать самые разные вещи, появилась, нужда в их транспортировке. Мелкие вещи человек может успешно нести на себе. Вещи побольше могут поднять несколько достаточно сильных людей. Но что делать, когда объект имеет колоссальный размер и массу? В разные времена эти задачи решались по-разному, и с каждым веком успешно передвигаемые людьми предметы с места на места становились только больше.

1. Мюон г-2

Огромных размеров магнит для ученых.

В середине 2013 года была совершена сложнейшая транспортная операция. Перевозился электромагнит диаметром 15 метров под названием «Мюон г-2». Транспортировка магнита растянулась на 35 дней. Проехать команде транспортировщиков пришлось 5 150 км пути . Везли магнит, как по суше, так и по морю. Ценность магнита заключалась в том, что он был центральным элементом одноименного научного эксперимента, целью которого – изучение субатомных частиц. Эти частицы существуют всего в 0.0000002 секунды. По суше магнит везли на специально созданном грузовике с опорой весом в 45 тонн. Эта операция была не только сложной и деликатной, но еще и очень дорогой – только сама транспортировка обошлась в 25 млн долларов.

2. Индевор

Везли сначала самолетом.

А потом еще тягачом.

После почти 20 лет полетов, американский космический шаттл «Индевор» был списан на землю. По решению руководства проекта, корабль должен был стать музейным экспонатом, а для этого, его нужно было перевезти в Лос-Анжелес. В космосе этот шаттл прошёл более 185 млн км. На Земле же, его решили транспортировать весьма экзотическим способом – закрепить поверх борта Боинга 747, который специально готовился для такой операции. Из аэропорта, космический корабль везли по улицам города с невероятно низкой скоростью. Для этого в городе пришлось срубить более 400 деревьев, а также отключить огромное число линий электропередач. Весил сухопутный транспорт для шаттла – 78 тонн.

3. Зеркала для телескопа

Огромные зеркала для огромного телескопа.

Одна из самых масштабных операций по транспортировке линз для телескопа прошла в США. Из Университета Аризоны, который в городе Тусон, зеркала были доставлены на вершину Монтекристо, что в округе Эсмеральда. Поднять хрупкий груз пришлось на высоту в 3 200 метров. Планировалась и готовилась операций более 5 месяцев. В ходе операции перевозили 2 зеркала весом в 16 тонн каждое, а также стальной кейс, в котором они находились. Последний, к слову, весил 33 тонны. Ехать пришлось 196 км . Скорость конвоя при этом составляла всего 15 кмч . Таким образом, поездка заняла два дня. Буксир, который вез зеркала для строящегося телескопа, имел 48 колес.

4. Трубина Гарриет

Самая большая и самая мощная турбина в мире.

Газовая турбина Гарриет на сегодняшний день является самой крупной в мире. Ее вес сопоставим с весом Боинга 747 при полной загрузке – около 800 тонн. Одна лишь эта турбина, может питать электричеством более 600 тысяч домов во Франции. Создана она была во французском городе Бельфор. До места назначения, турбине пришлось проделать почти 330 км. Перевозить такую махину пришлось в несколько этапов. Размером она, к слову, с футбольное поле. Колона сопровождения растянулась на 110 метров в длину . Везли турбину на трех платформах, составленных из 14 осей.

5. Ядерный реактор

Везли по холмам и горам 6 грузовиков.

Реактор весом в 1 040 тонн перевезли в Саудовской Аравии на расстояние в 1 100 км . Важно то, что большая часть пути была очень извилиста, что создавало дополнительные трудности. Для перевозки были задействованы два специальных гидравлических прицепа с 10 осями. Тащили их в сцепке два грузовика. При этом в колонне всегда следовало еще четыре таких машины на смену. Менялись тягачи, после преодоления каждого сложного этапа пути, например – небольшого холма. Делалось это, для обеспечения максимальной безопасности.

6. Баггер 288

Баггер не везли, он ехал сам.

Что это такое? Все очень просто – это один из самых больших экскаваторов, горнодобывающих машин для работы на открытых месторождениях (под открытым небом). На сегодняшний день «Баггер 288» является самым большим автомобилем в мире. Его высота достигает почти 100 метров, а длина равняется двум футбольным полям! Горнодобывающая машина настолько огромная, что управлять ей может только 5 водителей сразу. В феврале 2001 года, Баггер полностью закончил работу на одной из шахт, а значит, его нужно было транспортировать на новое месторождение. Сначала машину хотели разобрать, перевезти и собрать на новом месте, однако этот план оказался астрономически дорогой авантюрой. При этом проехать нужно было всего 22 км. В результате, было решено, что Баггер 288 поедет своим «рабочим» ходом. Преодолевал каулер это расстояние 33 недели : он перешел через автостраду, железную дорогу и реку. Для улучшения сцепления с поверхностью, перед машиной специально высеивали траву, а на некоторых участках выравнивали гравий и грязь. Максимальная скорость движения составила 10 метров в минуту .

7. Тролль-А

Для перевозки платформы использовали огромные поплавки.

Морская платформа Тролль-А – это самая высокая конструкция из когда-либо созданных человеком. Ее высота 472 метра, при этом большая часть установки находится под водой. Она также удерживает рекорд самого тяжелого объекта на воде. Весит платформа около 50 млн тонн ! От места строительства, до места назначения платформу везли 80 км . Для транспортировки использовались гиганских размеров поплавки, которые удерживали станцию на воде, не давая ей тонуть. После доставки, платформу «утопили» и закопали ее основание в грунт. Когда придет время нового месторождения, Тролль-А перевезут таким же образом на новое место.

Японский физик X. Юкава (1907-1981), изучая природу ядерных сил (см. §254) и развивая идеи советских ученых И. Е. Тамма и Д. Д. Иваненко об их обменном характере, выдвинул в 1935 г. гипотезу о существовании частиц с массой, в 200-300 раз превышающей массу электрона. Эти частицы должны, согласно Юкаве, выполнять роль носителей ядерного взаимодействия, подобно тому, как фотоны являются носителями электромагнитного взаимодействия.

К. Андерсон и С. Неддермейер, изучая поглощение жесткого компонента вторичного космического излучения в свинцо-

вых фильтрах с помощью камеры Вильсона, помещенной в магнитное поле, действительно обнаружили (1936) частицы массой, близкой к ожидаемой (207 m е ). Они были названы впоследствии мюонами. Доказано, что жесткий компонент вторичного космического излучения состоит в основном из мюонов, которые, как будет показано ниже, образуются вследствие распада более тяжелых заряженных частиц (- и K-мезонов). Так как масса мюонов большая, то радиационные потери для них пренебрежимо малы, а поэтому жесткий компонент вторичного излучения обладает большой проникающей способностью.

Существуют положительный ( +) и отрицательный ( -) мюоны; заряд мюонов равен элементарному заряду е. Масса мюонов (оценивается по производимому ими ионизационному действию) равна 206,8 те, время жизни  + - и  - -мюонов одинаково и равно 2,2 10 -6 с. Исследования изменения интенсивности жесткого компонента вторичного космического излучения с высотой показали, что на меньших высотах потоки мюонов менее интенсивны. Это говорит о том, что мюоны претерпевают самопроизвольный распад, являясь, таким образом, нестабильными частицами.

Распад мюонов происходит по следующим схемам:

где- соответственно «мюонные» нейтрино и антинейтрино, которые, как предположил советский физик Б. М. Понтекорво (р. 1913 г.) и экспериментально доказал (1962) американский физик Л. Ледерман (р. 1922), отличаются от- «электронных» нейтрино и антинейтрино, сопутствующих испусканию позитрона и электрона соответственно (см. §263, 258). Существование следует из законов сохранения энергии и спина.

Из схем распада (270.1) и (270.2) следует, что спины мюонов, как и электрона, должны быть равны 1/2 (в единицах h ), так как спины нейтрино (1/2) и антинейтрино (-1/2) взаимно компенсируются.

Дальнейшие эксперименты привели к выводу, что мюоны не взаимодействуют или взаимодействуют весьма слабо с атомными ядрами, иными словами, являются ядерно-неактивными частицами. Мюоны, с одной стороны, из-за ядерной пассивности не могут рождаться при взаимодействии первичного компонента космического излучения с ядрами атомов атмосферы, а с другой - из-за нестабильности не могут находиться в составе первичного космического излучения. Следовательно, отождествить мюоны с частицами, которые, согласно X. Юкаве, являлись бы носителями ядерного взаимодействия, не удалось, так как такие частицы должны интенсивно взаимодействовать с ядрами. Эти рассуждения и накопленный впоследствии экспериментальный материал привели к выводу о том, что должны существовать какие-то ядерно-активные частицы, распад которых и приводит к образованию мюонов. Действительно, в 1947 г. была обнаружена частица, обладающая свойствами, предсказанными Юкавой, которая распадается на мюон и нейтрино. Этой частицей оказался -мезон.