Мюоны и мезоны

Эволюция понятия “элементарная частица”.

Элементарные частицы в точном значении этого термина – первичные, неделимые частицы, из которых состоит вся материя. Понятие “элементарная частица” трансформировалась по мере развития знаний о строении материи. На рубеже XIX-XX веков мельчайшей частицей вещества (т.е. элементарной частицей) считался атом (по-гречески atomos - ”неделимый”). В дальнейшем выявилась сложная структура атома, состоящего из ядра и электронов. В свою очередь ядра, как оказалось, также являются сложными структурами и состоят из протонов и нейтронов. В настоящее время считается, что протоны и нейтроны также состоят из более элементарных частиц – кварков. В строгом смысле именно кварки в настоящее время должны считаться элементарными частицами. Однако в современной физике термин “элементарные частицы” употребляется не в своем точном значении, а менее строго – для наименования большой группы мельчайших частиц материи, которые не являются атомами или атомными ядрами, т.е. объектами заведомо составной природы. В эту группу входят протон (p), нейтрон (n), фотон (g), p - мезоны и другие частицы – всего более 350 частиц, в основном нестабильных.

Японский физик X. Юкава, изучая природу ядерных сил, выдвинул в 1935 г. гипотезу о существовании частиц с массой, в 200-300 раз превышающей массу электрона. Эти частицы должны выполнять роль носителей ядерного взаимодействия, подобно тому, как фотоны являются носи­телями электромагнитного взаимодействия.

К. Андерсон и С. Неддермейер, изучая поглощение жесткого компонента вторич­ного космического излучения в свинцовых фильтрах, действительно обнаружили (1936) частицы массой, близкой к ожидаемой (207 m_e). Они были названы впоследствии мюоамн. Доказано, что жесткий компонент вторичного космического излучения состоит в основном из мюнов, которые, как будет показано ниже, образуются вследствие распада более тяжелых заряженных частиц (p- и K-мезонов).

Существуют положительный (m⁺) и отрицательный (m^–) мюоны; заряд мюонов равен элементарному заряду е. Масса мюонов равна 206,8 т_е, время жизни m⁺ - и m^–-мюонов одинаково и равно 2,2×10^–6 с. Исследования показали, что мюоны претерпевают самопроизвольный распад, являясь, таким образом, нестабильными частицами. Распад мюонов происходит по следующим схемам:

(28.1)

(28.2)

где и – соответственно «мюнные» нейтрино и антинейтрино, которые отличаются от и – «электронных» нейтрино и антинейтрино, сопутствующих испусканию позитрона и электрона соответст­венно. Существование и следует из законов сохранения энергии и спина.

Из схем распада (28.1) и (28.2) следует, что спины мюонов, как и электрона, должны быть равны 1/2(в единицах ), так как спины нейтрино (1/2) и антинейтрино (–1/2) взаимно компенсируются.

Дальнейшие эксперименты привели к выводу, что мюоны не взаимодействуют с атомными ядрами, то есть являются ядерно-неактивными частицами. Мюоны, с одной стороны, из-за ядерной пассивности не могут рождаться при взаимодействии первичного компонента космического излучения сядрами атомов атмосферы, а с другой – из-за нестабильности не могут находиться в составе первичного космического излучения. Следовательно, отождествить мюоны с частицами, которые, согласно X.Юкаве, являлись бы носителями ядерного взаимодействия, не удалось, так как такие частицы должны интенсивно взаимодействовать с ядрами. Это привело к выводу о том, что должны существовать какие-то ядерно-активные частицы, распад которых и приводит к образованию мюонов. Действительно, в 1947 г. была обнаружена частица, обладающая свойствами, предсказанными Юкавой, которая рас­падается на мюон и нейтрино. Этой, частицей оказался p-мезон.

Английский физик С. Пауэлл и его сотрудники, подвергая на большой высоте ядерные фотоэмульсии действию космических лучей (1947), обнаружили ядер­но-активные частицы так называемые p-мезоны (от греч. «мезос» — средний), или пионы. Тогда же пионы были получены искусственно в лабораторных условиях при бомбардировке мишеней из Be, С и Сu a-частицами, ускоренными в синхроциклот­роне до 300 МэВ. p-Мезоны сильно взаимодействуют с нуклонами и атомными ядрами и, по современным представлениям, обусловливают существование ядерных сил.

Существуют положительный (p⁺), отрицательный (p^–) (их заряд равен элементар­ному заряду е) и нейтральный (p⁰) мезоны. Масса p⁺ и p^–-мезонов одинакова и равна 273,1 т_е, масса p⁰-мезона равна 264,1 т_е. Все пионы нестабильны: время жизни соответ­ственно для заряженных и нейтрального p-мезонов составляет 2,6×10^–8 и 0,8 ×10^–16 с. Распад заряженных пионов происходит в основном по схемам:

; (28.3)

(28.4)

где мюоны испытывают дальнейший распад по рассмотренным выше схемам (28.1) и (28.2). Из схем распада (28.3) и (28.4) следует, что спины заряженных p-мезонов должны быть либо целыми (в единицах ), либо равны нулю. Спины заряженных p-мезонов, по ряду других экспериментальных данных, оказались равными нулю. Нейтральный пион распадается на два g-кванта: . Спин p⁰-мезона, так же как и спин p⁺-мезона, равен нулю.

Исследования в космических лучах методом фотоэмульсий (1949) и изучение реак­ций с участием частиц высоких энергий, полученных на ускорителях, привели к от­крытию К-мезонов, или каонов, – частиц с нулевым спином и с массами, приблизите­льно равными 970 т_е. В настоящее время известно четыре типа каонов: положительно заряженный (К⁺), отрицательно заряженный (К^–) и два нейтральных (К⁰ и ⁰). Время жизни К-мезонов лежит в пределах 10^–8–10^–10 с в зависимости от их типа.

Существует несколько схем распада К-мезонов. Распад заряженных К-мезонов происходит преимущественно по схемам:

Распад нейтральных К-мезонов в основном происходит по следующим схемам (в порядке убывания вероятности распада):

для короткоживущих () ;

для долгоживущих ()

Дата добавления: 2013-12-12