Экспериментальная ядерная физика - Мухин К.Н.
ISBN 5-283-04076-3
Скачать (прямая ссылка):
* Подробнее о мюонисвом метоле изучения физико-химических свойств вещества см. Гуревич И. И., Никольский Б. А.//Успехи физ. наук, 1976. Т. 119. Вып. 1. С. 169—185.
196
Глава XVIII. Лептоны
§ 107. т-Лептон и т-нейтрино
Существование мюона — частицы, которая по всем свойствам, кроме массы и времени жизни, идентична электрону, очень долго было одной из самых трудных загадок физики элементарных частиц: зачем нужен мюон? Сейчас положение изменилось, так как в соответствии с теорией электрослабого взаимодействия и квантовой хромодинамикой истинно элементарными частицами являются кварки, глюоны, лептоны, фотон и Z0- и W±-бозоны, между которыми должна существовать тесная связь. В частности, согласно теории Вайнберга—Салама число кварков должно быть равно числу лептонов. Поэтому когда в конце 1974 г. был открыт четвертый с-кварк (см. § 125), существование мюона стало оправданным, а открытие летом 1977 г. пятого Ь-кварка (см. § 126) потребовало обнаружения нового, пятого (третьего заряженного) лептона.
Впервые т-лептон* был обнаружен еще в 1975 г. в Стан-форде в результате исследования аномальных событий (см. ниже), но вполне надежно его существование было доказано в начале 1978 г., а к концу 1980 г. было зарегистрировано несколько десятков тысяч пар т + т", что позволило хорошо установить свойства т-лептона.
История открытия т-лептона нетривиальна. В первых экспериментах были получены только намеки на существование частицы с массой т«1,8 ГэВ. Расчеты, сделанные в предположении, что частица с такой массой участвует подобно е и ц в универсальном слабом взаимодействии и имеет «свое» нейтрино vt, позволили оценить время жизни и рассчитать относительные вероятности распадов т-лептона по разным
каналам:
? vevt
0,174
А
0,176
->
0,101
т~ ->
->
P"vt
0,218
—>
л"тс+тс~ VT
0,081
адроны (^3 заряженных +wtc°)vt
0,187
п~ p°vT
0,054
(107.1)
* От греческого слова tpvrov—третий. Подробности открытия см. Перл. М. Открытие новой элементарной частицы — тяжелого т-лептона // Успехи физ. наук. 1979. Т. 129. Вып. 4. С. 671—684.
§ 107. 1-Лептон и i-нейтрино
197
Теоретическую оценку времени жизни т-лептона очень грубо можно получить из формулы 1 /т — .J?5 (см. § 18), согласно которой
тт=(/иц/тт)5тцше, где тц и тц—масса и время жизни мюона; тх—масса т-лептона; юе — относительная вероятность его распада по каналу x->evevT. Эта оценка дает хххЗ• 10~13 с, Лт = стт« ж 0,1 мм.
Из малости тт и RT следует, что обнаружить т-лептон по пробегу нельзя (кроме фотоэмульсионного метода). Из схем распада вытекает, что его нельзя обнаружить и по кинематике (так как среди вторичных частиц имеются нейтрино). Поэтому для обнаружения т-лептонов был использован нестандартный метод исследования так называемых аномальных событий типа е + е~-* т+ т~ -> е + ц~ + н.ч. и е* е~ -»т~ -> е~ ц+ +н.ч. или вообще е + е~-> т+ т~ -> е + Х± + н.ч., где X—любая заряженная частица, кроме электрона (позитрона), а н. ч. — нейтральная частица. Таким образом, аномалия заключается в том, что рассматривается такое сочетание каналов распада рожденной пары т+- и т~-лептонов, при котором т распадается, например, по схеме x+->e + vevT, а т~—по любой другой (без е~).
Изучение энергетической зависимости аномальных событий позволило определить массу т-лептона по порогу сечения и спин по форме кривой. Масса т-лептона* /мт = (1784,1 +3,2) МэВ. Спин st= 1/2. Экспериментальное значение времени жизни т-лептона т, = (3,04 ± 0,09) ¦ 10"13 с.
Исследование спектра электронов от распада вида x~->e_vevT показало, что этот распад согласуется с (V— Л)-теорией. Из спектра электронов следует
mv < 35 МэВ.
Если vT стабильно, то из космологических соображений следует т„ <30 эВ. Если mv=0, то наиболее естественно предположить, что vt имеет ' левую спиральность. Из сравнения Г (т — -* я ~ v )
_ _ . т =0,52 + 0,07 с теоретическим значением (0,6) следу-Г(т -*е vevt)
ет sv=l/2. Из поведения сечения а(е + е -и+т ) следует универсальность электромагнитного взаимодействия для всех заряженных лептонов (е, ц, т) и справедливость квантовой электродинамики до расстояний около 10~16 см. Таким образом, все лептоны можно считать точечными частицами, радиус которых if < Ю-16 см.
* Приведены современные данные для т„ т, и wv.
198
Глава XVIII. Лептоны
В настоящее время принято считать, что т-лептон аналогичен е- и ц-лептонам и характеризуется новым лептонным зарядом Lt, который равен 1 для т" и vT, — 1 для т+ и vt и 0 для всех остальных частиц (включая электронные и мюонные лептоны).
Из существования двух новых лептонов т и vT и теории Вайнберга — Салама следует, что должен существовать шестой кварк t (который пока не обнаружен; подробнее см. § 126).
Сейчас ничего нельзя сказать о возможности существования лептонов более тяжелых, чем т-лептон. Если, однако, такие лептоны существуют, то следует ожидать также и существования новых, более тяжелых кварков.
