mukhin-fizika-elementarnykh-chastits (810757), страница 45
Текст из файла (страница 45)
414 Рис. 415 пе+пг +(пг+я )+пг +п1+(л +пг) +п! +Пг Рг+Рг +(Рв Рл )+Рг Рг+(и +Рг) Рг+Рг' (111.З) и,+р, (п,+и")+р,— и,+(лс+р,)- п,+р,. Иногда взаимодействия вида (111.3) с участием лс-мезонов называют обменными, а взаимодействия вида (111.1) и (1! 1.2) с участием ли-мезонов — зарядовообменными. Вскоре лс-мезон был открыт. История его открытия очень поучительна.
При изучении рождения л'-мезонов быстрыми протонами было замечено, что одновременно с лз-мезонами в мишени М, бомбардируемой протонами, возникают у-кванты большой энергии (рис. 418). у-Кванты анализировались с помощью гамма-спектрометра, схематически изображенного на рис.
4! 8 внизу. Здесь Т— танталовая мишень, на которой происходит превращение у-квантов в электрон-позитронную пару (е+ --и ). Электроны и позитроны отклоняются магнитным полем Н в разные стороны и проходят через тот или другой счетчик Гейгера— Мюллера (ГМС), а затем через пропорциональные счетчики ПС. ггв вГ и Рис. 416 Рис. 417 б 111.
Свойства нейтрального к-мелони 18 7г 1р ьь т ЪФ В "'4 б ч й ь 8 ~ф~ р го оа гй ба таа 1тйэьа энергия у-кбантоа, Мэа Рао. 419 Рво. 418 Энергия 7-квантов определялась по значению радиуса траектории электрона и позитрона при заданной напряженности магнитного поля. Пропорциональные счетчики, амплитуда импульса в которых пропорциональна ионизнрующей способности заряженной частицы, нужны для подтверждения того, что импульс в счетчике ГМС вызван действительно электроном. Результаты измерений приведены на рис.
4!9. Из рисунка видно, что вплоть до энергии падающих протонов порядка 200 МэВ энергетический спектр 7-квантов представляется монотонно убывающей кривой, типичной для спектров тормозного излучения. Теоретический расчет тормозного излучения быстрых протонов подтвердил это предположение. Однако при больших энергиях интенсивность образующихся 7-квантов начинает превосходить теоретическую. Особенно заметное расхождение наблюдается прн энергии протонов Т,) 290 МэВ, а для энергии Т,=340 МэВ экспериментальная интенсивность 7-квантов превосходит теоретическую уже в 100 раз. При этом исследование характера энергетического спектра образунлцихся 7-квантов показало„что для Тр > 290 МэВ форма спектра существенно отличается от монотонно убывающей кривой тормозного излучения наличием максимума при Е,=70 МэВ. Была предложена следующая естественная интерпретация наблюдающегося явления.
Наряду с заряженными кв-мезонами при бомбардировке мишени ускорителя протонами возникают нейтральные нестабильные частицы (яо-мезоны) приблизительно с такой же массой (около 270эл,), которые через короткое время распадаются на два 7-кванта (нспускание у-квантов, 224 Главе Х1Х. й-Мезоны т. е. электромагнитный процесс при распаде нейтральной частицы, можно представить себе идущим через промежуточный этап образования виртуальной протон-антипротонной пары, аннигиляция которой и дает у-кванты, рис. 420). Действительно, если такое предположение жее правильно, то дополнительный механизм образования 7-квантов должен начать сказываться при энергии протонов, которая превосходит пороговое значение (290 МэВ), определяющееся из формулы (110.15). Максимум на кривой энергетического спектра 7- квантов также понятен, так как массе 270ги, соответствует энергия 140 МэВ, которая при распаде частицы на два 7-кванта распределяется между ними поровну.
При этом максимум при Е„=70 МэВ должен быть в случае распада к"-мезона не только в состоянии покоя, но и на лету (подробнее см. п. 2). Окончательное подтверждение гипотеза -образования нейтральной частицы получила в опытах Пановского с двумя сцинтилляционными телескопами, в которых были зарегистрированы оба у-кванта от распада частицы и измерена их энергия.
Из анализа опыта Пановского следовало, что распадающаяся частица действительно имеет массу, близкую к массе я*-мезонов, и время жизни т(!О ю с. Новую частицу назвали я~-мезоном. Схема ее рождения и распада Х+Х М+ Х+я о яо- 27, (! 11.4) 2. ТОЧНОЕ ЗНАЧЕНИЕ МАССЫ я"-МЕЗОНА Для определения точного значения массы яо-мезона был проанализирован с помощью законов сохранения энергии и импульса опыт по изучению взаимодействия я -мезонов с водородом (ср. со способом определения массы нейтрона, описанным в 9 2, п.3). Идея опыта заключается в следующем.
При взаимодействии медленных я -мезонов с протонами возможна реакция перезарядки я -мезона в я~-мезон я +р-~яс+л; яв- 27 (111.5) с последующим его распадом на лету на два 7-кванта. Так как массы протона, нейтрона и я -мезона известны, то энергетический спектр образующихся 7-квантов зависит только от массы я~-мезона, которая, таким образом, может быть определена по виду спектра у-квантов.
225 ПЛ Свойеенва нешнрааьного н-.назона о гО И 2Р гй Па Пайр,Мвй Рис. 422 Рис. 42! Схема опыта изображена на рис. 421. При бомбардировке мишени М протонами р с энергией 330 МэВ рождаются я*-мезоны. На пути пучка медленных я -мезонов был поставлен сосуд со сжатым до 200 атм водородом. Образующиеся при взаимодействии по схеме (111.5) у-кванты проходили через систему коллиматоров К, защиту 3 и анализировались с помощью гамма-спектрометра, аналогичного изображенному на ис.
41е. результате опытов была получена кривая энергетического спектра у-квантов, имеющая два максимума: один — острый при Е,=131 МэВ, другой — более широкий, напоминающий по форме прямоугольник, при Е1х70 МэВ (рис. 422). Выше уже говорилось о том, что происхождение максимума при Е,в70 МзВ связано с реакцией (11!.5), в результате которой эйергия покоя образующегося ко-мезона распределяется после его распада между двумя 7-квантами. Второй максимум прн Е =131 МэВ соответствует у-квантам, испускающим в другой возможной реакции: х +р- и+7, !111.6) продукты которой, как и во всяком двухчастичном распаде, должны иметь строго определенные энергии.
Так как точные значения масс протона и нейтрона известны, то, применяя законы сохранения энергии и импульса к реакции (111.6) в предположении, что я -мезон захватывается протоном после остановки, можно по известному значению массы и -мезона определить энергию 7-кванта и, наоборот, по найденному Гэади ХIХ.
д-йуеэоиы 22б в опыте значению энергии квантов подсчитать массу и -мезона. В описываемой работе была проведена именно эта обратная операция, которая дала для массы к -мезона т „=(275 ~ 2,5) т„ т. е. значение, хорошо согласующееся с ее значениями, определенными другими методами.
Тем самым была показана надежность используемого метода. Масса хи-мезона была получена подробным анализом другого максимума. Сущность анализа может быть легко понята нз следующего рассуждения. Предположим, что яс-мезон распадается на два Т-кванта в состоянии покоя. Тогда энергии образующихся у-квантов будут строго одинаковы и в сумме дадут энергию покоя пс-мезона: где (Е„)„„„=-(1 — (3); (Е„)„,„,=-(1+р); с= На графике такое распределение должно быть изображено в виде прямоугольника (рнс.
423). Легко видеть, что границы прямоугольника, дающие значения (Е,)„„„и (Е,)„,„„позволяют определить массу яс-мезона. действительно, тЭ сд 4( ) 4 и, следовательно, гиии Еэедде Еу т„с~=2 еУ(Е,)„„„(Е,)„„„д 1111.!0) Рис. 423 т„ес Е =Е = "; Е +Е =т сэ. у! 7э 2 и уэ д На самом деле распад яс-мезона происходит на лету, вспезультате чего энергия у-кванта, вылетающего в направлении и -мезона, будет больше т„,сэ/2, а энергия у-кванта, вылетающего в противоположном направлении, меньше т„,сз/2. Подробный расчет с учетом всех возможных направлений вылета 7-квантов приводит к следующему результату: во всех случаях распада ли-мезона, имеющего определенную скорость в, энергия образующихся при его распаде у-квантов с равной вероятность о распределяется в интервале от (Е,)„„„ до (Е )„,„,: (Е„)„„„<Е, <(Е„)„.„„(111.9) 227 й 771.
Свойетва нейтрального н=неооно Приведенное рассуждение полностью применимо к реакции я — +р ьл+яо нл+2у в которой все образующиеся яо-мезоны имеют одинаковую скорость. Поэтому, измеряя границы широкого максимума при Е, в 70 МэВ (см. рис. 422), можно по формуле (111.! 0) получить значение массы яо-мезона. Измерения дали для разности масс п - и яо-мезонов т„-т;=(10,6+2)т„откуда для массы яо-мезона получили т„.=(265+3)т,. Масса я мезона, как указывалось выше, была измерена в этом же эксперименте„поэтому исключались возможные ошибки, связанные с используемой методикой определения энергии 7- квант ов.
Измерения, сделанные позже (1954 г.) другим методом, дали (л|„- — л7„.)=(8,8+06)гл„что с учетом наиболее точного для того времени значения массы я -мезона дает пг .=(264+1) лг,. В настоящее время считают, что масса я -мезона равна (264,1358+0,0005)глв, 3 ВРЕМЯ ЖИЗНИ яо МЕЗОНА Очень грубо время жизни яо-мезона можно предварительно оценить из рассмотрения диаграммы его распада (см.
рис. 420). На этой диаграмме имеются одна сильная и две электромагнитные вершины. Первая из них характеризуется константой взаимодействии 8,„ 1, а остальные †констант я,„= /ги= lг(/137. Так как вероятность процесса пропорциональна азъ5 1О ~, то время жизни яо-мезона должно быть х' Казалось бы, изучать свойства частицы, не имеющей заряда, да к тому же еше распадающейся на два у-кванта, фотоэмульсионным методом совершенно невозможно.
Однако точное значение времени жизни ко-мезона было определено именно фотометодом. Больше того, ввиду чрезвычайно малого времени жизни я"-мезона (т„ь = 1О 'ь с) оно может быть измерено только фотометодом, который позволяет определять очень малые пробеги. Изучение энергетического спектра фотонной компоненты космического излучения привело к обнаружению характерного максимума при Е, = 70 МэВ и тем самым показало, что в составе космических лучей имеются яо-мезоны. Поэтому в пластинках, облученных космическими лучами, обязательно 228 Г.тви Х/Х. и-Меэоны 1„4 ! гг Рис.
424 !'ис. 425 должны наблюдаться случаи распада кс-мезонов с последующим образованием электрон-позитронных пар: сг 7 е++е ', л 7-+е++е Однако анализ таких случаев сильно осложняется из-за того, что неизвестна точка распада и"-мезона, в связи с чем невозможно определить его пробег.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
