Курс физики (стр. 147 из 157)
Рис. 348
Исследование космического излучения, с одной стороны, позволило на начальном этапе развития физики элементарных частиц получить основные экспериментальные данные, на которых базировалась эта область науки, а с другой — дало возможность и сейчас изучать процессы с частицами сверхвысоких энергий вплоть до 1021 эВ, которые еще не получены искусственным путем. С начала 50-х годов для исследования элементарных частиц стали применять ускорители (позволяют ускорить частицы до сотен гигаэлектрон-вольт; см. § 116), в связи с чем космическое излучение утратило свою исключительность при их изучении, оставаясь лишь основным «источником» частиц в области сверхвысоких энергий.
§ 270. МЮОНЫ И ИХ СВОЙСТВА
Японский физик X. Юкава (1907—1981), изучая природу ядерных сил (см. § 254) и развивая идеи отечественных ученых И. Е. Тамма и Д. Д. Иваненко об их обменном характере, выдвинул в 193S г. гипотезу о существовании частиц с массой, в 200—300 раз превышающей массу электрона. Эти частицы должны, согласно Юкаве, выполнять роль носителей ядерного взаимодействия, подобно тому, как фотоны являются носителями электромагнитного взаимодействия.
К. Андерсон и С. Недцермейер, изучая поглощение жесткого компонента вторичного космического излучения в свинцовых фильтрах с помощью камеры Вильсона, помещенной в магнитное поле, действительно обнаружили (1936) частицы массой, близкой к ожидаемой (207me). Они были названы впоследствии мюонами. Доказано, что жесткий компонент вторичного космического излучения состоит в основном из мюонов, которые, как будет показано ниже, образуются вследствие распада более тяжелых заряженных частиц (π- и Kмезонов). Так как масса мюонов большая, то радиационные потери для них пренебрежимо малы, а поэтому жесткий компонент вторичного излучения обладает большой проникающей способностью.
Существуют положительный (µ+) и отрицательный (µ-) мюоны; заряд мюонов равен элементарному заряду е. Масса мюонов (оценивается по производимому ими ионизационному действию) равна 206,8 me, время жизни µ+- и µ- -мюонов одинаково и равно 2,2⋅10-6 с. Исследования изменения интенсивности жесткого компонента вторичного космического излучения с высотой показали, что на меньших высотах потоки мюонов менее интенсивны. Это говорит о том, что мюоны претерпевают самопроизвольный распад, являясь, таким образом, нестабильными частицами.
Распад мюонов происходит по следующим схемам:
(270.1) (270.2)где 00vµ и 00vAµ — соответственно «мюонные» нейтрино и антинейтрино, которые, как предположил Б. М. Понтекорво (Россия, р.1913 г.) и экспериментально доказал (1962) американский физик Л. Ледерман (р. 1922), отличаются от 00ve и 00vAe— «электронных» нейтрино и антинейтрино, сопутствующих испусканию позитрона и электрона соответственно (см. § 263, 258). Существование 00vµ и 00vAµ следует из законов сохранения энергии и спина.
Из схем распада (270.1) и (270.2) следует, что спины мюонов, как и электрона, должны быть равны 1/2 (в единицах h , так как спины нейтрино (1/2) и антинейтрино (- 1/2) взаимно компенсируются.
Дальнейшие эксперименты привели к выводу, что мюоны не взаимодействуют или взаимодействуют весьма слабо с атомными ядрами, иными словами, являются ядерно-неактвваымв частицамн. Мюоны, с одной стороны, изза ядерной пассивности не могут рождаться при взаимодействии первичного компонента космического излучения с ядрами 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. Эти рассуждения и накопленный впоследствии экспериментальный материал привели 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 πмезон.
§ 271. МЕЗОНЫ И ИХ СВОЙСТВА
С. Пауэлл (1903—1969; английский физик) с сотрудниками, подвергая на большой высоте ядерные фотоэмульсии действию космических лучей (1947), обнаружили ядерно-активные частицы — так называемые π-мезоны (от греч. «мезос» — средний), или пионы. В том же году пионы были получены искусственно в лабораторных условиях при бомбардировке мишеней из Be, С и Сu αчастицами, ускоренными в синхроциклотроне до 300 МэВ. π-Мезоны сильно взаимодействуют с нуклонами и атомными ядрами и, по современным представлениям, обусловливают существование ядерных сил.
Существуют положительный (π+), отрицательный (π-) (их заряд равен элементарному заряду e) и нейтральный (π°) мезоны. Масса π+ и π--мезонов одинакова и равна 273,lme, масса π°-мезона равна 264,1me. Все пионы нестабильны: время жизни соответственно для заряженных и нейтрального πмезонов составляет 2,6⋅10-8 и 0,8⋅10-16 с.
Распад заряженных пионов происходит в основном по схемам
(271.1) (271.2)где мюоны испытывают дальнейший распад по рассмотренным выше схемам
(270.1) и (270.2). Из схем распада (271.1) и (271.2) следует, что спины заряженных π-мезонов должны быть либо целыми (в единицах h ), либо равны нулю. Спины заряженных π-мезонов, по ряду других экспериментальных данных, оказались равными нулю. Нейтральный пион распадается на два γ-кванта:
Спин π°-мезона, так же как и спин π+-мезона, равен нулю.
Исследования в космических лучах методом фотоэмульсий (1949) и изучение реакций с участием частиц высоких энергий, полученных на ускорителях, привели к открытию K-мезовов, или каонов, — частиц с нулевым спином и с массами, приблизите льно равными 970me. В настоящее время известно четыре типа каонов: положительно заряженный (К+), отрицательно заряженный (К-) и два нейтральных (К° и КA°). Время жизни K-мезонов лежит в пределах 10-8 — 10-10 с в зависимости от их типа.
Существует несколько схем распада K-мезонов. Распад заряженных KГмезонов происходит преимущественно по схемам
Распад нейтральных KГ-мезонов в основном происходит по следующим схемам (в порядке убывания вероятности распада):
• Какова природа первичного и вторичного космического излучений? Назовите их свойства.
• Приведите схемы распада мюонов. Чем объясняется выброс мюонного нейтрино (антинейтрино)?
• Приведите схемы распада π-мезонов. Дайте характеристику π-мезонам.
• Какие фундаментальные типы взаимодействий осуществляются в природе и как их можно охарактеризовать? Какой из них является универсальным?
§ 272. ТИПЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ
ЧАСТИЦ
Согласно современным представлениям, в природе осуществляется четыре типа фундаментальных взаимодействий: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное.
Сильное, или ядерное, взаимодействие обусловливает связь протонов и нейтронов в ядрах атомов и обеспечивает исключительную прочность этих образований, лежа щую в основе стабильности вещества в земных условиях.
Электромагнитное взаимодействие характеризуется как взаимодействие, в основе которого лежит связь с электромагнитным полем. Оно характерно для всех элементарных частиц, за исключением нейтрино, антинейтрино и фотона. Электромагнитное взаимодействие, в частности, ответственно за существование атомов и молекул, обусловливая взаимодействие в них положительно заряженных ядер и отрицательно заряженных электронов.
Слабое взаимодействие — наиболее медленное из всех взаимодействий, протека ющих в микромире. Оно ответственно за взаимодействие частиц, происходящих с уча стием нейтрино или антинейтрино (например, β-распад, µраспад), а также за безнейтринные процессы распада, характеризующиеся довольно большим временем жизни распадающейся частицы (τ ≳ 10-10 с).
Гравитационное взаимодействие присуще всем без исключения частицам, однако из-за малости масс элементарных частиц оно пренебрежимо мало и, по-видимому, в процессах микромира несущественно.
Сильное взаимодействие примерно в 100 раз превосходит электромагнитное и в 1014 раз — слабое. Чем сильнее взаимодействие, тем с большей интенсивностью протекают процессы. Так, время жизни частиц, называемых резонансами, распад которых описывается сильным взаимодействием, составляет примерно 10-23 с; время жизни π°-мезона, за распад которого ответственно электромагнитное взаимодействие, составляет 10-16 с; для распадов, за которые ответственно слабое взаимодействие, характерны времена жизни 10-10 —10-8 с. Как сильное, так и слабое взаимодействия — короткодействующие. Радиус действия сильного взаимодействия составляет примерно 10-15 м, слабого — не превышает 10-19 м. Радиус действия электромагнитного взаимодействия практически не ограничен.