mukhin-fizika-elementarnykh-chastits (810757), страница 34
Текст из файла (страница 34)
9110). Характерные расстояния Я и энергии Е нейтрино и антинейтрино в этих экспериментах равны К=(10г-:1Ог) м; Е=(1,0 10г-:2,3 10й) МэВ, что дает для предельных значений Ьгнгие(10 ' —:10') эВ'. Более низкие пределы для Ьгнг можно получить, изучая так называемые атмосферные нейтрино, которые возникают в процессах распада и*- и К+-мезонов, образующихся в результате взаимодействия первичной космической компоненты с ядрами атмосферы (см.
999). Основные процессы образования ги и 9„— это процессы (103.34) и 1 р'+и, ( и+9, К+ К (103. 36) 1 р +я +уи, ( р +я +йи. Электронные нейтрино и, (и 9,) образуются при распадах Ки-мезонов по относительно маловероятным схемам Ке-+е +и„К -+е +Ф, (103.37) и при распадах мюонов по схемам (!03.35). Энергии атмосферных нейтрино достигают 10 — 100 ГэВ (при достаточно высокой интенсивности), а огромная проникающая способность дозволяет их регистрировать по д~угуго сторону земного шара.
Поэтому типичное значение Лги для атмосферных нейтрино равно х,иг 2,5Е 2,5(10 —:10') 2,5(10-з: 10 г) эВг й 1О' а если выделягь события, происходящие ог нейгрино с энергией Е(1 ГэВ, то даже Лгнге10 ' эВ'. Глава ХИ11. Лепяоны Выше мы говорили, что одним из естественных объяснений дисбаланса солнечных нейтрино ~, являются их преобразования по дороге от Солнца до Земли в к„ и ч,. Поэтому изучение осдилляций солнечных нейтрино также представляет очень большой интерес. В настоящее время уже подготовлены два эксперимента с использованием (Оа — Ое)-метода (60 т (Эа в СССР и 30 т в Италии). Поскольку реакция к,+Ба- е +Ое идет при низкой энергии нейтрино (Е>0,23 МэВ; энергия нейтрино, образующихся в протон-протонном цикле на Солнце, Е(0,4 МэВ), а расстояние от Земли до Солнца Я-1,5-10' км, то типичное Лт' для этих экспериментов в принципе равно 2,5Е 2,5 0,4 0 " В Л 1,5 10" однако специфические трудности анализа соответствующих опытов, связанные с необходимостью учета изменения расстояния от Земли до Солнца и разброса в импульсе нейтрино, загрублягот это значение до 1О '~ эВ' (или, возможно, даже до 10 ' эВ').
Реализация этого опыта потребует. нескольких лет. Резюмируя, надо сказать, что до сих пор ни в одном эксперименте нейтринные осцилляции с достоверностью обнаружены не были. Мы вернемся к обсуждению проблемы нейтринных осцилляций еще раз в в 108 в связи с рассмотрением вопроса о значении т„ФО для построения современной теории нейтрино. 9104. Мюоны 1. ИСТОРИЯ ОТКРЫТИЯ. МАССА Мюоны были открыты в 1938 г. Их открытие было инициировано интенсивным исследованием свойств ядерных сил в 30-х годах.
В 8 81 указывалось, что одним из возможных путей построения теории ядерных сил является введение мезоиного поля и его квантов, которые должны переносить сильное ядерное взаимодействие. Развитие этого пути привело Юкаву к предсказанию существования в природе новой частицы — мезона с массой 200 — 300т„, и со свойствами ядерного кванта (см. З !1О, 111). В 30-е годы единственным источником новых сведений о процессах, происходящих при высоких энергиях, например о процессах образования мезонов, могли быть только космические лучи. Поэтому исследования космических лучей у 104. Мюоны Рис, 391 Рис.
390 приобрели в те годы особенно большое значение. В частности, очень интересными оказались опыты по исследованию состава космических лучей (рис. 390). Опыт заключался в измерении интенсивности космических лучей после прохождения их через свинец различной толщины К Прошедшие частицы регистрировались при помощи вертикально расположенного телескопа, состоящего из трех счетчиков С, включенных в схему тройных совпадений СС, которая регистрировала частицы, идущие только строго вертикально. В результате измерений была получена кривая (рис. 391), из характера которой видно, что интенсивность Ж прошедших космических лучей очень быстро падает на первых 5 — 1О см их пути и почти не изменяется при дальнейшем увеличении толщины свинца.
Это означает, что в составе космических лучей имеются две существенно различные компоненты: мягкая, т. е. сильно поглощаемая свинцом, и жесткая, т. е. проникающая через большие ~олщи свинца. Мягкая компонента — это, как уже указывалось в 9 99, электрон-фотонный ливень, в котором фотоны возникают в результате тормозного излучения электронов (и позитронов) в поле ядра, а электроны (и позитроны) — -в процессе образования (е -е')-пар в поле ядра под действием достаточно жестких фотонов (Е„)2т,с'). Если первичный электрон (или фотон) имеет очень высокую энергию, то описанный процесс многократно повторяется, приводя каждый раз к удвоению числа частиц (электрон-фотонная лавина).
Что касается жесткой компоненты, то слабое поглощение ее свинцом заставляет приписать соответствующим частицам массу, существенно превышающую массу электрона. Дальнейшие исследования показали, что этими частицами не могут быть протоны (или только протоны). Такое заключение было сделано на основании результатов опыта Андерсона 170 Глава Х'вд1. Лвмтомы н Неддермейера, выполненного с помощью методики, впервые предложенной советским ученым Д, В.
Скобельцыным и заключающейся в использовании камеры Вильсона, помещенной в магнитное поле. Это методика позволяет видеть следы заряженных частиц, искривленные полем, и определять их массу и знак заряда. Применение методики Скобельцына для исследования космических лучей привело к выводу, что жесткая компонента наполовину состоит из отрицательных частиц, т. е. во всяком случае содержит частицы, отличные от протонов, В 1938 г. Андерсон и Неддермейер получили с помощью камеры Вильсона с магнитным полем фотографии треков положительно и отрицательно заряженных частиц с массой около 200т„которые были названы рч-мезонамн. В настоящее время эти частицы принято называть мюонамн, так как по своим свойствам они относятся не к классу мезонов, а к классу лептонов (см.
таблицу в конце книги). Современное значение массы мюона т„=(206,7678 ~ 0„0001) т,. 2. ВРЕМЯ ЖИЗНИ И СХЕМА РАСПАДА МЮОНОВ Вскоре после открытия мюонов выяснилось, что они являются частицами нестабильными с временем жизни порядка 1 мкс. Такое заключение было получено из сравнения интенсивности жесткой компоненты космических лучей на уровне моря н на вершине большой горы (рис. 392). В опыте, который ставился на горе, на пути частиц устанавливался дополнительный поглотитель П, поглощающая способность которого была эквивалентна поглощающей способности столба воздуха от уров- ЕЙЗ ня моря до вершины горы.
Тем л самым в отношении поглощения ~О с)с мюоны, регистрируемые на горе, ~е яэл Рь и мюоны, регистрируемые внизу, ©с были поставлены в одинаковые условия. Однако опыт показал заметно меньшую интенсивность мюонов на уровне моря по сравнению с их интенсивностью на горе. Единственным возможным объяснением этого является предположение о самопроизвольном (радиоактивном) распаде мюонов, вследствие которого их Рис. ЗЯ2 з 104. мюоаи пп число уменьшается за время пролета расстояния от вершины горы до уровня моря.
Сравнив интенсивности мюонов на вершине (Же) и внизу (Ж) при известной высоте горы (Н), можно получить время жизни (т) быстро движущегося мюона из очевидной формулы )т'=М е Ял'ч (104.1) где с — скорость света (для быстрого мюона с=с). В соответствии со специальной теорией относительности время жизни мюона в состоянии покоя (те) равно РИхс т =т ~1 — 13~=т —" (104.2) Е„ Измерения дали т 10 ' с, Е=10~ эВ, откуда при т„с'=1Ов эВ для те получается значение ттсоР 1(1 — б с Позднее те мнюна было найдено непосредственно из эксперимента, в котором измерялось запаздывание момента вылета электрона распада относительно момента остановки мюона.
Оказалось, что т(1ч=(2,15~0,07) 10 е с. Современное значение времени жизни мюона т3'=(2,19703~0„00004) 1О а с. В 1947 г. при помощи фотоэмульсионного метода (см. $110, и. 2) была определена схема распада мюонов р-+- е-+2 н,ч., (104. 3) где н.ч.— нейтральная частица. Поскольку у-квант в качестве н.ч. исключается 1из-за отсутствия в окрестности (р — е)-распада конверсионных (е' — е )-пар1, то первоначально считали, что нейтральные частицы — это электронные нейтрино (т,) и антинейтрино (0,). Однако позднее было установлено, что одна нз нейтральных частиц является электронным нейтрино (антинейтрино), а другая — мюонныгл антинейтрино (нейтрино): 1х'-+е'+т,+ц; р -+е +9,+ч, (подробнее см.
з 105, п. 3). 172 Глава Х17П. деитонм 3. СЛАБОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ МЮОНОВ При раздельном измерении времени жизни медленных положительных и отрицательных мюонов было показано, что в легкой среде оно одинаково для р'- и р -частиц и равно 7„,=2,2.10 б с. В тяжелой среде мюоны разных знаков ведут себя различно. Время жизни 11'-частицы не зависит от среды, в которой происходит ее распад, и всегда равно т„. =2,2 10 б с.
Что касается времени жизни р -частицы, то оно быстро уменьшается с ростом У среды от 2 1О 6 с для углерода до 7.10 а с для свинца. Эта У-зависимость т„, очевидно, объясняется тем, что убывание отрицательных мюонов в тяжелой среде происходит не только за счет их распада, но и за счет захвата ядрами среды. При этом из значения т„-(РЬ)=7-10 а с следует, что вероятность захвата в свинце в 30 раз больше вероятности его распада. Процесс захвата отрицательного мюоиа происходит следующим образом.
Благодаря ионизационному торможению он быстро теряет свою скорость и, оказавшись вблизи ядра, захватывается им на одну из орбит, подобных тем, на которых находятся электроны атома, с той только разницей, что радиусы мюонных орбит в т„/т, = 200 раз меньше электронных. Такая система называется р-атомом, она ведет себя аналогично обычному атому. Подобно электронам в атоме мюоны в р-атоме могут переходить с одной орбиты на другую.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
