МЮОНЫ

MЮOHЫ (старое название - -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 (⁺) 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.).

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:

(где е⁺, е- , v_e, v_e - 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 и 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 v_e (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 v_e 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 h^2/me²Z, где ти е - масса и заряд M., Z - заряд ядра, h - постоянная ланка. Эта величина в (m,/т_e) Z раз меньше воровского радиуса атома водорода (т_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 m_I/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^-11см, 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.