Экспериментальная ядерная физика - Мухин К.Н.
ISBN 5-283-04076-3
Скачать (прямая ссылка):
§ 104. Мюоны
1. ИСТОРИЯ ОТКРЫТИЯ. МАССА
Мюоны были открыты в 1938 г. Их открытие было инициировано интенсивным исследованием свойств ядерных сил в 30-х годах. В § 81 указывалось, что одним из возможных путей построения теории ядерных сил является введение мезонного поля и его квантов, которые должны переносить сильное ядерное взаимодействие. Развитие этого пути привело Юкаву к предсказанию существования в природе новой частицы — мезона с массой 200—300ше и со свойствами ядерного кванта (см. §110, 111).
В 30-е годы единственным источником новых сведений о процессах, происходящих при высоких энергиях, например о процессах образования мезонов, могли быть только космические лучи. Поэтому исследования космических лучей
§ 104. Мюоны
169
Рис. 390 Рис. 391
приобрели в те годы особенно большое значение. В частности, очень интересными оказались опыты по исследованию состава космических лучей (рис. 390).
Опыт заключался в измерении интенсивности космических лучей после прохождения их через свинец различной толщины d. Прошедшие частицы регистрировались при помощи вертикально расположенного телескопа, состоящего из трех счетчиков С, включенных в схему тройных совпадений СС, которая регистрировала частицы, идущие только строго вертикально.
В результате измерений была получена кривая (рис. 391), из характера которой видно, что интенсивность N прошедших космических лучей очень быстро падает на первых 5—10 см их пути и почти не изменяется при дальнейшем увеличении толщины свинца. Это означает, что в составе космических лучей имеются две существенно различные компоненты: мягкая, т. е. сильно поглощаемая свинцом, и жесткая, т. е. проникающая через большие толщи свинца.
Мягкая компонента — это, как уже указывалось в § 99, электрон-фотонный ливень, в котором фотоны возникают в результате тормозного излучения электронов (и позитронов) в поле ядра, а электроны (и позитроны) — в процессе образования (е~ — е + )-пар в поле ядра под действием достаточно жестких фотонов (Еу>2тес2). Если первичный электрон (или фотон) имеет очень высокую энергию, то описанный процесс многократно повторяется, приводя каждый раз к удвоению числа частиц (электрон-фотонная лавина).
Что касается жесткой компоненты, то. слабое поглощение ее свинцом заставляет приписать соответствующим частицам массу, существенно превышающую массу электрона. Дальнейшие исследования показали, что этими частицами не могут быть протоны (или только протоны). Такое заключение было сделано на основании результатов опыта Андерсона
170
Глава XVIII. Пептоны
и Неддермейера, выполненного с помощью методики, впервые предложенной советским ученым Д. В. Скобельцыным и заключающейся в использовании камеры Вильсона, помещенной в магнитное поле. Это методика позволяет видеть следы заряженных частиц, искривленные полем, и определять их массу и знак заряда. Применение методики Скобельцына для исследования космических лучей привело к выводу, что жесткая компонента наполовину состоит из отрицательных частиц, т. е. во всяком случае содержит частицы, отличные от протонов.
В 1938 г. Андерсон и Неддермейер получили с помощью камеры Вильсона с магнитным полем фотографии треков положительно и отрицательно заряженных частиц с массой около 200те, которые были названы ц*-мезонами. В настоящее время эти частицы принято называть мюонами, так как по своим свойствам они относятся не к классу мезонов, а к классу лептонов (см. таблицу в конце книги). Современное значение массы мюона
ти = (206,7678 ± 0,0001) те.
2. ВРЕМЯ ЖИЗНИ И СХЕМА РАСПАДА МЮОНОВ
Вскоре после открытия мюонов выяснилось, что они являются частицами нестабильными с временем жизни порядка 1 мкс. Такое заключение было получено из сравнения интенсивности жесткой компоненты космических лучей на уровне моря и на вершине большой горы (рис. 392). В опыте, который ставился на горе, на пути частиц устанавливался дополнительный поглотитель П, поглощающая способность которого была
эквивалентна поглощающей способности столба воздуха от уровня моря до вершины горы. Тем самым в отношении поглощения
D- \ij ь мюоны, регистрируемые на горе,
r/rf(a Fb и мюоны> регистрируемые внизу,
" были поставлены в одинаковые
условия. Однако опыт показал заметно меньшую интенсивность мюонов на уровне моря по сравнению с их интенсивностью на горе. Единственным возможным объяснением этого является предположение о самопроизвольном (радиоактивном) распаде Рис. 392 мюонов, вследствие которого их
Ос млг/л рь
Ос
ус
77777777777?
§ 104. Мюоны
171
число уменьшается за время пролета расстояния от вершины горы до уровня моря.
Сравнив интенсивности мюонов на вершине (N0) и внизу (N) при известной высоте горы (Я), можно получить время жизни (т) быстро движущегося мюона из очевидной формулы
N=N0e-Hli"\ (104.1)
где с—скорость света (для быстрого мюона vxc).
В соответствии со специальной теорией относительности время жизни мюона в состоянии покоя (т0) равно
г0 = х^йТ2 = т^. (104.2)
