Краткая теория

Измерение времени жизни мюона

Лабораторная работа

Основная часть Мю-мезонов (мюонов) рождается в верхних слоях атмосферы и имеет энергию от 1 до 10 ГэВ. Мюоны, входящие в состав жесткой компоненты, возникают в результате распада π-мезонов – продуктов ядерного взаимодействия первичных космических лучей с ядрами атмосферы π^± → µ^± + ν. Следовательно, мюоны проходят почти весь слой атмосферы. При этом они частично поглощаются, частично распадаются. Мюоны, идущие под углом θ к вертикали и попадающие на уровень моря, проходят в атмосфере путь в 1/cos θ раз больший, чем мюоны, идущие по вертикали. Поэтому вероятность распада для мюонов, идущих под углом, больше. При увеличении угла будет также увеличиваться слой воздуха, который должны пройти мюоны. Это приводит к увеличению поглощения за счет ионизационных потерь. Таким образом, оба фактора должны привести к уменьшению интенсивности мюонов с увеличением зенитного угла. Экспериментально установлено, что число мюонов, дошедших до детектора на уровне моря, уменьшается за свет поглощения в веществе по закону:

. (1)

С увеличением длины пути, пройденного мюоном, увеличивается вероятность его распада. Вероятность прохождения пути l без распада равна:

, (2)

где L = vτ - длина пробега, v = βc - скорость мюона, τ - время жизни движущегося мюона. Из релятивистской механики известно, что

, (3)

где τ₀ - время жизни покоящегося мюона. Тогда имеем:

, (4)

где - полная энергия мюона, которую можно принять равной 2*10⁹ эВ, - масса мюона, которая в энергетических единицах равна 105, 8 МэВ/с².

Отношение числа мюонов, идущих под зенитным углом, к числу вертикально падающих мюонов можно записать в виде:

, (5)

Для численных оценок можно считать, что по вертикали мюоны проходят путь = 15 км и .

Таким образом, воспользовавшись формулами (1-5) и экспериментальными значениями отношения можно измерить время жизни мюона τ₀.

Контрольные вопросы

1.Что такое первичное и вторичное космическое излучение?

2.Что входит в состав вторичного космического излучения?

3.Каковы компоненты первичного космического излучения?

4.В каких процессах появляется мюонная компонента в космических лучах?

Космическое излучение -

Это ионизирующее излучение, непрерывно падающее на поверхность Земли из мирового пространства и образующееся в земной атмосфере в результате взаимодействия излучения с атомами воздуха.

Различают первичное и вторичное космическое излучение. Первичное космическое излучение представляет собой поток элементарных частиц, которые приходят на земную поверхность из разных областей всемирного пространства. Оно образуется вследствие извержения и испарения материи с поверхности звезд и туманностей космического пространства. Оно состоит из протонов (92%), альфа-частиц (7%), ядер атомов лития, бериллия, бора, углерода, азота, кислорода и др. (1%). Первичное космическое излучение отличается большой проникающей способностью. Космические излучения подразделяются по происхождению на внегалактические, галактические и солнечные.

Большая часть первичного космического излучения возникает в пределах нашей Галактики, энергия их чрезвычайно высокая – до 1019 эВ. Атмосфера служит своеобразным щитом, предохраняющим биологические объекты от воздействия космических частиц, поэтому лишь немногие частицы достигают поверхности Земли.

При взаимодействии космических частиц с атомами элементов, находящихся в атмосфере возникает вторичное космическое излучение. Оно состоит из мезонов, электронов, позитронов, протонов, нейтронов, гамма- квантов, т.е. из практически всех известных в настоящее время частиц.

Первичные космические лучи, врываясь в атмосферу, постепенно теряют свою энергию, растрачивая ее на многочисленные столкновения с ядрами атомов воздуха. Получаемые осколки, приобретая часть энергии первичной частицы, сами становятся факторами ионизации, разрушают и ионизируют другие атомы газов воздуха, т.е. превращаются в частицы вторичного космического излучения.

Вторичное космическое излучение возникает в результате электронно-фотонных и электронно-ядерных взаимодействий. При электронно-фотонном процессе заряженная частица взаимодействует с полем ядра атома, рождая фотоны, которые образуют пары электронов и позитронов. Эти частицы, в свою очередь, вызывают возникновение новых фотонов. Электронно-ядерный процесс обусловлен взаимодействием первичных частиц, энергия которых не менее 3х109 эВ, с ядрами атомов воздушной среды. При этом взаимодействии возникает ряд новых частиц – мезонов, протонов, нейтронов. Вторичное космическое излучение имеет максимум на высоте 20-30 км, на меньшей высоте процессы поглощения вторичного излучения преобладают над процессами его образования.

♠ В элементарном акте взаимодействия первичной частицы КЛ с ядрами атомов воздуха рождаются почти все известные элементарные частицы, среди к-рых гл. роль играют -мезоны, как заряженные, так и нейтральные. Нуклоны и не успевшие распасться -мезоны образуют ядерно-активную компоненту вторичного излучения. Взаимодействуя с ядрами атомов воздуха, они, подобно первичной частице КЛ, рождают новые каскады частиц до тех пор, пока их энергия не снизится до 10⁹ эВ. На уровне моря остаётся менее 1% ядерно-активных частиц.

Мюонная и нейтринная компоненты образуются при распаде заряженных -мезонов

Высокоэнергичные мюоны взаимодействуюг с веществом, поэтому они доходят до уровня моря и проникают глубоко под землю. Нейтроны и мюоны вторичного излучения постоянно регистрируются сетью наземных станций. На основе этих измерений исследуются вариации интенсивности первичных КЛ.

Возникновение электронно-фотонной компоненты связано с распадом -мезонов: . В кулоновском поле ядер каждый g-фотон рождает электрон-позит-ронную пару . За счёт тормозного излучения этой пары вновь возникают -фотоны, к-рые рождают, в свою очередь, электрон-позитронные пары. Повторение этого процесса приводит к лавинообразному размножению числа частиц до тех пор, пока при нек-рой преобладающими не станут конкурирующие процессы потери энергии -фотонами и электронами (позитронами). После этого происходит затухание каскада. Число частиц в максимуме каскада пропорц. энергии первичной частицы. Каскады, образующиеся при КЛ с >10¹⁴ эВ, содержат 10⁶- 10⁹ частиц; они наз. широкими атмосферными ливнями (ШАЛ). С помощью ШАЛ проводится исследование КЛ в области сверхвысоких энергий.

♠ В одном акте взаимодействия протон обычно теряет ~50% своей энергии, а в результате взаимодействия возникают в основном пионы. Каждое последующее взаимодействие первичной частицы добавляет в каскад новые адроны, которые летят примущественно по направлению первичной частицы, образуя адронный кор ливня.
Образующиеся пионы могут взаимодействовать с ядрами атмосферы, а могут распадаться, формируя мюонную и электронно-фотонную компоненты ливня. Адронная компонента до поверхности Земли практически не доходит, превращаясь в мюоны, нейтрино иγ-кванты.

π⁰ → 2γ, π⁺ → μ⁺ + ν_μ, π^- → μ^- + _μ, Мюоны в свою очередь могут распадаться μ⁺ → e⁺ + ν_e + _μ, μ^- → e^- + _e + ν_μ. Образующиеся при распаде нейтральных пионов γ-кванты вызывают каскад электронов и γ-квантов, которые в свою очередь образуют электрон-позитронные пары. Заряженные лептоны теряют энергию на ионизацию и радиационное торможение. Поверхности Земли в основном достигают релятивистские мюоны. Электронно-фотонная компонента поглощается сильнее.

Дата добавления: 2014-12-25