yavor2 (553175), страница 101
Текст из файла (страница 101)
Энергии связи в ядре не хватило бы для удержания нуклонов друг возле друга в ядре при быстром сообщении ему энергии даже значительно меньшей, чем 10" эВ. При вращении звезд, обладающих магнитным полем, создаются вихревые электрические поля. Магнитные поля звезд, действуя на протоны и ядра, удерживают их на замкнутых траекториях, двигаясь по которым они приобретают в электрических полях колоссальные ускорения. Согласно расчетам Ферми, в облаках межзвездной материи возникают движения заряженных масс, создающие переменные электромагнитные поля.
В этих полях заряженные частицы первичного космического излучения могут ускоряться до самых больших энергий, которые в нем наблюдаются. Предполагается, что начальная энергия первичных частиц (порог иижекции) имеет своей природой ударные волны (см. 5 30.8), возникающие в результате столкновений газовых масс при взрыве так называемых сверхновых звезд.
Энергия этих взрывов — внутриядерного происхождения. ф 83.3. Мюоны (и-мезоны) и их свойства 1. Взаимодействие космических лучей с веществом долгое время являлось единственным методом изучения элементарных частиц. Лишь после создания современных ускорителей (Я 41.4, 41.6) стало возможным изучать в лабораториях природу, взаимные превращения и структуру элементарных частиц.
В мощном ускорителе, построенном под Серпуховом вблизи Москвы, энергия ускоряемых частиц достигает 78 ГэВ (1 ГэВ = 10' эВ). Однако в первичных космических лучах регистрируются частицы с энергиями порядка 10" эВ. Поэтому исследование космических лучей не утратило своей роли метода изучения элементарных частиц и их превращений при высоких энергиях. 2. Возможность рождения новых частиц при столкновении быстрой заряженной частицы первичных лучей (например, протона) с ядром атома азота или кислорода атмосферы вытекает из соотношения между массой и энергией.
При энергии протона 1О* ГэВ, приблизительно в 10' раз превышающей его энергию покоя, столкновение протона с ядром приводит не только к расщеплению ядра на его составные части — нуклоны. За счет колоссального избытка энергии и массы первичной частицы над энергией н массой покоя ядра, энергии протона хватает не только для сообщения кинетической энергии продуктам расщепления — ее достаточно также и для рождения новых частиц, как обладающих массой покоя, так и имеющих лишь массу, связанную с полями (фотоны).
3. В 1937 г. Андерсон и Неддермейер, изучая поглощение космических лучей в свинцовых фильтрах по методу камеры Вильсона, помещенной в магнитное поле, обнаружили новые частицы — мезоны. Они получили трек заряженной частицы и по характеру искривления трека в магнитном поле установили положительный знак частицы. По производимому ею ионизационному действию и потерям энергии была оценена масса покоя частицы. Она составляет приблизительно 200 гп„где т,— масса покоя электрона.
Впоследствии были обнаружены отрицательные частицы с такой же массой. В дальнейшем для отличия этих частиц от других частиц с массой покоя, промежуточной между массами покоя электрона и протона, мезоны с массой ж200т, были названы мюонами (р-мезонами). 4. Изучение изменения интенсивности жесткой компоненты космических лучей в зависимости от высоты показало, что на уровне моря интенсивность мюонов заметно меньше, чем на высокой горе.
Причиной убыли интенсивности мюонов за время пролета ими расстояния Н, равного высоте горы, является синопроизвольный распад мюоиа иа другие частицы. Оценим время этого распада. Время пролета / можно определить следующим образом: /=Н/отН/с. При этом предполагается, что мюоны движутся со скоростью, близкой к скорости света в вакууме.
Далее воспользуемся формулой (81.3) для радиоактивного распада: Л/ = Л~,е-м. (83. 1) По известным из измерений числам мюонов на горе (Ф,) и на уровне моря (У) можно определить постоянную распада Х, а по ней и среднее время жизни мюона т . По определению, назовем средним временем жизни мкюна время, в течение которого первоначальное число мюонов убывает в е раз, т. е. У = М,/е.
Тогда по формуле (83.1) имеем Л~,/е = Мое 'и откуда — 1 = — Хт„или т = 1/Л. Другими словами, формулу (83.1) можно переписать йначе: Л/= Лг,е (83.2) 435 Из формулы (83.2) легко получить после логарифмирования: ш (л',/ж) ' (83 2') Оценки т, по формуле (83.2) привели к значению т ж 10-' с. Более точные ойыты по определению т,, проведенные по методу поглощения жесткой компоненты космических лучей в свинцовых фильтрах с использованием весьма точных методов регистрации ц-мезонов, привели к значению т = 2,2.10-' с. 5.
Мюоны могут испытывать распад по схемам: Р ~+~с +о~е+ ючь (83.3) ,е' + ,т, +,у„', (83.3') где,ч, и,ч — электронное н мюонное нейтрино (и соответственно о а антинейтрино). В настояшее время установлено, что нейтрино,ч, и антинейтрино о -о ,р„испускаемые вместе с электронами, отличаются от нейтрино ,т„и антинейтрино,чю испускаемых вместе с мезонами.
Поэтому о -о тейерь принято различать электронное и мезонное нейтрино (и антинейтрино). Электроны ,е' и позитроны ,е' от распада мкюнов были отчетливо обнаружены по методу чувствительных ядерных фотоэмульсий. Энергия электрона (или позитрона), возникшего в реакциях (83.3) и (83.3'), не превышает 50 МэВ и гораздо меньше энергий рьмезонов. Поэтому электрон (позитрон) не может быть единственной частицей при распаде рь-мезона. Анализ процесса распада по законам сохранения привел к схемам (83.3) и (83.3'). Из этих схем следует, что спин р-мезонов, как и электрона, должен быть равен Ь2, ибо спин нейтрино и антинейтрино равен ~Й/2 каждый и эти спины взаимно компенсируются (при отсутствии строго выделенных ориентаций каждого из спинов).
6. Исследования показали, что мкюны весьма слабо взаимодействуют с ядрами атомов, являются ядерно-неактивными частицами. В частности, это было обнаружено при изучении поглошения мюонов ядрами атомов свинца. Выяснилось, что взаимодействие мюонов с ядрами свинца характеризуется временем 10 ' с, которое в 10" раз больше ядерного времени (10-" с), характеризующего виутриядериые взаимодействия нуклонов (з 82.4). Отсюда следовало, что мкюны взаимодействуют с ядрами в 10" раз слабее, чем это необходимо для обеспечения короткодействующего характера ядерных сил.
Этот результат позволил сделать важный вывод о том, что мюоиы не могут быть квантами ядерного поля, обеспечивающими обменное взаимодействие нуклонов в ядре (й 80.5). 7. Слабое взаимодействие р-мезонов с ядрами аналогично столь же слабому взаимодействию с ядрами электронов и позитронов, а также нейтрино и антинейтрино. По этому признаку все указанные частицы в настоящее время обьединяются в особый класс элементар- ных частиц, называемых лептонами (см. табл.
83.2, стр. 452), В современной физике слабое взаимодействие считается особым зипом взаимодействия, наблюдаемого в природе наряду с электромагнитным (583,5). Для того чтобы отличить элементарные частицы, входящие в группу лептонов, им приписывается характеристика, называемая лептонным зарядом. Считается, что все лептоны (электроны, отрицательные мюоны и нейтрино) имеют лептонный заряд, равный +1, все антилептоны (позитроны, положительные мюоны и антинейтрино) — лептонный заряд, равный — 1, а все остальные частицы не имеют лептонного заряда.
Процессы, происходящие с участием лептонов, характеризуются относительно медленным их протеканием и происходят так, что суммарная величина лептонного заряда сохраняется неизменной (закон сохранения лептоцного заряда). Из ядерной неактивности мюонов следует, что они не могут быть теми частицами в первичных космических лучах, которые взаимодействуют с ядрами атомов атмосферных газов. К 1946 г.
в физике космических лучей было накоплено достаточно данных о том, что в составе первичных космических лучей должны существовать ядерно-алтарные частицы, сильно взаимодействующие с ядрами и имеющие массы, промежуточные между массой ре-мезона и протона. й 83.4. Пионы (м-мезоны) и их свойства с Р Л РУР 437 1. В 1947 г. С.
Пауэлл н его сотрудники обнаружили в ядерных фотоэмульснях частицы более тяжелые, чем мюоны, с массой покоя, близкой к 300т,. На рис. 83 3 изображена схема процесса, обнаруженного в фотоэмульсии. В точке А частица с массой покоя ж300 т, остановилась и возникла частица с массой покоя ж200 т„ движущаяся до точки В, где она также остановилась. Частица с треком А В оказалась р'-мезоном с соответствующим ему распадом в точке В.
Первичная частица, распад которой привел в точке А к рождению р-мезона, была названа пионом, или ямезоном. На рис. 83.4 схематично изображена последовательность (я — р — е)-рас- -„р .3Р р пада. ри .~ ЕР,РЕ Из анализа длин пробегов были найдены энергии обеих частиц, а из законов Рис 83.3. сохранения энергии и импульса установлено, что вместе с положительным пионом должна рождаться еще одна частица, которая уносит значительно ббльшую энергию, чем р+-мезон.
Масса ее, как это следовало из законов сохранения, должна была быть значительно меньше масс покоя мезона н электрона. Отсутствие электронно-позитронных пар в фотоэмульсии на пути второй частицы (3 82.3), родившейся вместе с р-мезоном, исключало возможность того, что это был у-фотон. Исследования показали, что прн распаде и+-мезона рождается, кроме положительного мюона, мезонное нейтрино,ч согласно реакции о ++ о (83.4) 2. Изучение взаимодействия пионов с легкими ядрами показало, что может происходить захват пиона ядром. Такой захват приводит к расщеплению ядер, которое обнаруживается в виде звезды в ядерной фотоэмульсии.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
