Измерение неизмеримого - Абрамов А.И.
Скачать (прямая ссылка):
д~ е" + Ve + Vf1; д+ е* + ve + pp.
В результате на Землю обрушивается целый ливень вторичного излучения, состоящего из мюонов, фотонов и электронов, тогда как частицы первичных космических лучей практически не долетают до поверхности Земли.
Раньше говорилось о том, как был измерен период полураспада остановившегося мюона. Но тот же Росси в другом эксперименте сумел измерить среднее время жизни летящего мюона. Для этого ему, конечно, вовсе не пришлось лететь в ракете рядом с мюоном с секундомером в руке и ждать, пока мюон распадется. Как это часто бывает, результат был получен при изучении, казалось бы, совсем другого явления — так называемого высотного хода жесткой компоненты вторичных космических лучей.
Измерения жесткой компоненты на разных высотах показали, что с увеличением высоты ее интенсивность возрастает. Этого и следовало ожидать, так как возникающие в верхних слоях атмосферы мюоны по мере движения к Земле сталкиваются с атомами воздуха и исчезают. Вероятность потери мюона пропорциональна числу находящихся на его пути атомов, которое
183
в свою очередь пропорционально числу атомов в столбике воздуха сечением 1 см2 и высотой, равной длине пробега мюона, или, что то же самое, - массе воздуха в таком столбце. Таким образом, толщину слоя воздуха, участвующего в торможении частиц, можно выражать в особых единицах: граммах на квадратный сантиметр (г/см2 ). Толщина слоя воздуха х от верхней границы атмосферы до точки наблюдения в этих единицах, как легко догадаться, просто равна атмосферному давлению, выраженному в граммах на квадратный сантиметр. Поэтому если частица первичных космических лучей долетела до поверхности Земли, то она прошла слой вещества толщиной 1033 г/см2.
Росси проводил свои измерения на высотах, на которых давление атмосферы соответствовало толщинам 615, 700 и 855 г/см2. Его установка состояла из трех счетчиков, включенных в схему совпадений. Для поглощения мягкой компоненты между счетчиками находился свинец. Полученные Росси значения интенсивностей жесткой компоненты показаны на рис. 52 голубыми кружками. Как видно, все кружки хорошо ложатся на плавную кривую, отчетливо показывающую рост интенсивности космических лучей с высотой.
Но какое отношение имеет все это к определению времени жизни мюона? Оказывается, самое прямое. Росси рассуждал примерно так. Между первой и второй точками наблюдения находится столб воздуха толщиной 85 г/см2 (700-615). Значит, если при измерениях в первой точке над установкой поместить слой плотного вещества с такой же тормозящей способностью, какой обладает слой воздуха толщиной 85 г/см2, то число отсчетов счетчика должно уменьшиться и стать точно таким же, каким оно было при обычных измерениях во второй точке. Измерения показали, что при установке фильтра из графита число отсчетов действительно уменьшится, но в гораздо меньшей степени, чем можно было ожидать. Росси объяснил это
Рис. 52. Результаты эксперимента Росси по измерению времени жизни летящего мюона:
/ - измерения без фильтра; 2 -ожидаемые и 3 - полученные результаты при измерениях с фильтром
184
различие тем, что в слоях воздуха и графита с одинаковыми тормозными способностями мюоны поглощаются одинаково, но на пролет слоя воздуха толщиной несколько сотен метров мюон затрачивает примерно в 1000 раз больше времени, чем на прохождение слоя графита толщиной несколько сантиметров. Поэтому в первом случае заметная часть мюонов успевает распасться в полете, тогда как во втором случае вероятность распада мюона ничтожно мала. Разность между ожидаемой и полученной интенсивностями жесткой компоненты в экспериментах Росси и дает число мюонов, распавшихся в полете. Зная расстояние между первой и второй точками наблюдения и скорость мюонов, которая практически равна скорости света, можно легко найти время жизни мюона. Оно оказалось примерно в 10 раз больше, чем было получено в первом эксперименте! Какой же из двух экспериментов дал более правильный результат?
Как это ни странно, но оба эксперимента были правильными. Дело в том, что согласно теории относительности (см. гл. 3) время в движущейся относительно наблюдателя системе координат течет медленнее, чем в неподвижной системе. Поэтому время жизни летящего мюона г' должно быть больше времени жизни покоящегося мюона г, причем соотношение между т' и г определяется приведенной ранее формулой теории относительности
Зная среднюю энергию мюонов (около 109 эВ), можно было найти их скорость и затем по последней формуле подсчитать, во сколько раз должен увеличиваться в полете срок их существования. Оказалось, в 10 раз! Таким образом, эксперименты России позволили узнать, чему равно время жизни мюона; их результаты подтвердили также один из основных выводов теории относительности — об относительности времени.
Среднее время жизни заряженных я-мезонов измеряли методом запаздывающих совпадений. тг-Мезоны с мишени ускорителя направляли прямо в кристалл сцинтилляционного счетчика, который регистрировал их. Через некоторое время после остановки 7г-мезон распадался с испусканием мюона; при торможении последнего возникал второй импульс. Измеряя с помощью схемы запаздывающих совпадений число событий с разными интервалами между первым и вторым импульсами, находили среднее время жизни 7г-мезона. Оно оказалось равным 2,53-10"8 с.
