Неуловимый мюон или почему зимой не бывает грозы. Мюоны

С отрицательным и 1/2. Вместе с , и классифицируется как часть семейства . Как и все фундаментальные частицы, мюон имеет с зарядом противоположного знака, но с равной и спином: антимюон .

По историческим причинам, мюоны иногда упоминаются как мю-мезоны , хотя они не являются в современном представлении физики элементарных частиц. Масса мюона в 207 раз больше массы электрона; по этой причине мюон можно рассматривать как чрезвычайно тяжелый электрон. Мюоны обозначаются как μ − , а антимюоны как μ + .

На Земле мюоны регистрируются в космических лучах, они возникают в результате распада заряженных . Пионы создаются в верхних слоях атмосферы первичными и имеют очень короткое время распада - несколько наносекунд. Время жизни мюонов тоже мало - 2,2 микросекунды. Однако мюоны космических лучей имеют скорости, близкие к , так что из-за эффекта замедления времени их легко обнаружить у поверхности Земли.

Как и в случае других заряженных лептонов, существует , которое связано с мюоном. Мюонные нейтрино обознаются как ν μ . Мюоны почти всегда распадаются в электрон, и мюонное нейтрино; существуют также более редкие типы распада, когда возникает дополнительный фотон или электрон-позитронная пара.

Мюонные атомы

Мюоны были первыми открытыми , которые не встречались в обычных . Отрицательные мюоны могут, однако, формировать мюонные атомы , заменяя электроны в обычных атомах. Решение для водородоподобного атома показывает, что характерный размер получаемых волновых функций (то есть радиус Бора, если решение проводится для атома водорода с привычным электроном) обратно пропорционален массе частицы движущейся вокруг . В силу того, что масса мюона более чем в двести раз превосходит массу электрона, размер получаемой «мюонной во столько же раз меньше аналогичной электронной. В результате, уже для ядер с Z = 5-10 размеры мюонного облака сравнимы или не более чем на порядок превосходят размеры ядра, и неточечность ядра начинает оказывать сильное влияние на вид волновых функций мюона. Как следствие, изучение их энергетического спектра (иначе говоря, линий поглощения мюонного атома) позволяет «заглянуть» в ядро и исследовать его внутреннюю структуру.

Положительный мюон, остановленный в обычной материи, может связать электрон и сформировать (Mu) - атом, в котором мюон действует как ядро. Приведенная масса мюония и, следовательно, его близки к соответствующим величинам для , и, следовательно, этот короткоживущий атом в первом приближении ведет себя в химических реакциях как сверхлёгкий изотоп водорода.

История

Мюоны были обнаружены в году, во время исследования космических лучей. Он обнаружил частицы, которые при прохождении отклонялись в меньшей степени, чем электроны, но более резко, чем . Было сделано предположение, что их электрический заряд был равен заряду электрона, и для объяснения различия в отклонении было необходимо, чтобы эти частицы имели промежуточную массу (лежащую где-то между массой электрона и массой протона).

По этой причине Андерсон первоначально назвал новую частицу «мезотрон», используя приставку «мезо-» (от слова «промежуточный»). Вскоре после этого были обнаружены другие частицы промежуточной массы и был принят более общий термин мезон для обозначения любой такой частицы. В связи с необходимостью разных обозначений для различных типов мезонов, мезотрон был переименован в «мю-мезон» (от греческой буквы «мю»). До того, как был открыт , мюон считался кандидатом на роль переносчика сильного взаимодействия, который был необходим в незадолго до того разработанной теории . Однако было обнаружено, что мюон не вступает в сильные взаимодействия, и некоторое время (до открытия пи-мезона) это поведение мюона оставалось загадкой.

Вскоре обнаружилось, что мю-мезон значительно отличается от других мезонов (например, его продукты распада включали и , а не только либо одно, либо другое, что наблюдалось для других мезонов). Таким образом, мю-мезоны не были мезонами вообще, и термин «мю-мезон» был заменен современным термином «мюон».

В середине -х годов, физики-экспериментаторы, работающие в , исследовали рассеяние нейтрино на протонной мишени. Согласно тому, что было тогда известно о , они ожидали, что столкновение превратит в мюон, а в осколки. Они с удивлением обнаружили что в результате такого столкновения появляются два мюона, отрицательный и положительный.

Это вызвало большую теоретическую дискуссию, которая завершилась объяснением того, как появляется положительный мюон. Столкновение нейтрино и протона производит не только протонные осколки и отрицательный мюон, но и , который вскоре распадается в , мюонное нейтрино и положительный мюон.

Японский физик X. Юкава (1907-1981), изучая природу ядерных сил (см. §254) и развивая идеи советских ученых И. Е. Тамма и Д. Д. Иваненко об их обменном характере, выдвинул в 1935 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. Неддермейер, изучая поглощение жесткого компонента вторичного космического излучения в свинцо-

вых фильтрах с помощью камеры Вильсона, помещенной в магнитное поле, действительно обнаружили (1936) частицы массой, близкой к ожидаемой (207 m е ). 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 (- и K-мезонов). Так как масса мюонов большая, то радиационные потери для них пренебрежимо малы, а поэтому жесткий компонент вторичного излучения обладает большой проникающей способностью.

Существуют положительный ( +) и отрицательный ( -) мюоны; заряд мюонов равен элементарному заряду е. Масса мюонов (оценивается по производимому ими ионизационному действию) равна 206,8 те, время жизни  + - и  - -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:

где- соответственно «мюонные» нейтрино и антинейтрино, которые, как предположил советский физик Б. М. Понтекорво (р. 1913 г.) и экспериментально доказал (1962) американский физик Л. Ледерман (р. 1922), отличаются от- «электронных» нейтрино и антинейтрино, сопутствующих испусканию позитрона и электрона соответственно (см. §263, 258). Существование 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-неактивными частицами. Мюоны, с одной стороны, из-за 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 -мезон.

Мюоны (μ) были впервые обнаружены в 1936 году в составе космических лучей. В табл.1 приведены основные характеристики мюона.

Таблица 1. Основные характеристики мюона

Отрицательно заряженный и положительно заряженный мюоны являются частицей и античастицей. Эксперименты показали, что как и должно быть с частицей и античастицей, их средние времена жизни совпадают

(μ +)/(μ −) = 1.00002+0.00008.

Отрицательно заряженные мюоны распадаются на электрон e - , электронное антинейтрино e и мюонное нейтрино ν μ .

В табл. 2 приведены каналы распада μ -

Таблица. 2. Каналы распада μ -

Вместе c мюонным нейтрино (ν μ) мюон составляет второе поколение лептонов.
Основным источником мюонов высоких энергий являются космические лучи и распады π-мезонов высоких энергий

π + → μ + + ν μ ,
π - → μ − + μ .

Кроме того, мюоны образуются в результате столкновений высокоэнергетичных электронов и позитронов

e − + e + → − + +

В веществе μ − могут входить в состав атома (образуя мезоатом) и их время жизни в плотной среде уменьшается на порядок.
В опытах Л. Ледермана и др. в 1962 году было показано, что мюонное нейтрино отличается от электронного.
Схема опыта показана на рис. 1. В результате взаимодействия пучка протонов с энергией 15 ГэВ с бериллиевой мишенью в большом количестве образуются вторичные π + и π − -мезоны. Информация об образовании π + и π − -мезонов поступала с черенковского счетчика. Мюонные нейтрино образовывались в результате последующего распада π-мезонов.

π + → μ + + ν μ
π − → μ − + μ

Рис. 1. Эксперимент по детектированию мюонного нейтрино

На пролетной базе (l = 20 м) между черенковским счетчиком и железной защитной стеной происходил распад π -мезонов. Все частицы, кроме нейтрино, поглощались в защитной стене. Интенсивность адронов уменьшалась примерно на 20 порядков. Взаимодействия ν μ и μ с нейтронами и протонами регистрировались в детекторе, состоящем из набора искровых камер, каждая из которых состояла из 9 алюминиевых пластин размером ~ 110 см х 110 см и толщиной
2.5 см. Зазор между пластинами составлял ~ 1 см. Между искровыми камерами располагались сцинтилляционные счетчики, регистрирующие появление заряженной частицы в детекторе. При появлении в детекторе заряженной частицы подавался импульс высокого напряжения на искровые камеры. Тип заряженной частицы (мюон или электрон) определялся по характеру искрового пробоя.
Общая масса нейтринного детектора составляла ~10 тонн. В результате этих экспериментов было показано, что при взаимодействии нейтрино, образующихся в распаде π-мезонов с протонами и нейтронами наблюдались только мюоны и не было обнаружено ни одного случая образования электронов и позитронов.

С тех самых пор, как человек начал создавать самые разные вещи, появилась, нужда в их транспортировке. Мелкие вещи человек может успешно нести на себе. Вещи побольше могут поднять несколько достаточно сильных людей. Но что делать, когда объект имеет колоссальный размер и массу? В разные времена эти задачи решались по-разному, и с каждым веком успешно передвигаемые людьми предметы с места на места становились только больше.

1. Мюон г-2

Огромных размеров магнит для ученых.

В середине 2013 года была совершена сложнейшая транспортная операция. Перевозился электромагнит диаметром 15 метров под названием «Мюон г-2». Транспортировка магнита растянулась на 35 дней. Проехать команде транспортировщиков пришлось 5 150 км пути . Везли магнит, как по суше, так и по морю. Ценность магнита заключалась в том, что он был центральным элементом одноименного научного эксперимента, целью которого – изучение субатомных частиц. Эти частицы существуют всего в 0.0000002 секунды. По суше магнит везли на специально созданном грузовике с опорой весом в 45 тонн. Эта операция была не только сложной и деликатной, но еще и очень дорогой – только сама транспортировка обошлась в 25 млн долларов.

2. Индевор

Везли сначала самолетом.

А потом еще тягачом.

После почти 20 лет полетов, американский космический шаттл «Индевор» был списан на землю. По решению руководства проекта, корабль должен был стать музейным экспонатом, а для этого, его нужно было перевезти в Лос-Анжелес. В космосе этот шаттл прошёл более 185 млн км. На Земле же, его решили транспортировать весьма экзотическим способом – закрепить поверх борта Боинга 747, который специально готовился для такой операции. Из аэропорта, космический корабль везли по улицам города с невероятно низкой скоростью. Для этого в городе пришлось срубить более 400 деревьев, а также отключить огромное число линий электропередач. Весил сухопутный транспорт для шаттла – 78 тонн.

3. Зеркала для телескопа

Огромные зеркала для огромного телескопа.

Одна из самых масштабных операций по транспортировке линз для телескопа прошла в США. Из Университета Аризоны, который в городе Тусон, зеркала были доставлены на вершину Монтекристо, что в округе Эсмеральда. Поднять хрупкий груз пришлось на высоту в 3 200 метров. Планировалась и готовилась операций более 5 месяцев. В ходе операции перевозили 2 зеркала весом в 16 тонн каждое, а также стальной кейс, в котором они находились. Последний, к слову, весил 33 тонны. Ехать пришлось 196 км . Скорость конвоя при этом составляла всего 15 кмч . Таким образом, поездка заняла два дня. Буксир, который вез зеркала для строящегося телескопа, имел 48 колес.

4. Трубина Гарриет

Самая большая и самая мощная турбина в мире.

Газовая турбина Гарриет на сегодняшний день является самой крупной в мире. Ее вес сопоставим с весом Боинга 747 при полной загрузке – около 800 тонн. Одна лишь эта турбина, может питать электричеством более 600 тысяч домов во Франции. Создана она была во французском городе Бельфор. До места назначения, турбине пришлось проделать почти 330 км. Перевозить такую махину пришлось в несколько этапов. Размером она, к слову, с футбольное поле. Колона сопровождения растянулась на 110 метров в длину . Везли турбину на трех платформах, составленных из 14 осей.

5. Ядерный реактор

Везли по холмам и горам 6 грузовиков.

Реактор весом в 1 040 тонн перевезли в Саудовской Аравии на расстояние в 1 100 км . Важно то, что большая часть пути была очень извилиста, что создавало дополнительные трудности. Для перевозки были задействованы два специальных гидравлических прицепа с 10 осями. Тащили их в сцепке два грузовика. При этом в колонне всегда следовало еще четыре таких машины на смену. Менялись тягачи, после преодоления каждого сложного этапа пути, например – небольшого холма. Делалось это, для обеспечения максимальной безопасности.

6. Баггер 288

Баггер не везли, он ехал сам.

Что это такое? Все очень просто – это один из самых больших экскаваторов, горнодобывающих машин для работы на открытых месторождениях (под открытым небом). На сегодняшний день «Баггер 288» является самым большим автомобилем в мире. Его высота достигает почти 100 метров, а длина равняется двум футбольным полям! Горнодобывающая машина настолько огромная, что управлять ей может только 5 водителей сразу. В феврале 2001 года, Баггер полностью закончил работу на одной из шахт, а значит, его нужно было транспортировать на новое месторождение. Сначала машину хотели разобрать, перевезти и собрать на новом месте, однако этот план оказался астрономически дорогой авантюрой. При этом проехать нужно было всего 22 км. В результате, было решено, что Баггер 288 поедет своим «рабочим» ходом. Преодолевал каулер это расстояние 33 недели : он перешел через автостраду, железную дорогу и реку. Для улучшения сцепления с поверхностью, перед машиной специально высеивали траву, а на некоторых участках выравнивали гравий и грязь. Максимальная скорость движения составила 10 метров в минуту .

7. Тролль-А

Для перевозки платформы использовали огромные поплавки.

Морская платформа Тролль-А – это самая высокая конструкция из когда-либо созданных человеком. Ее высота 472 метра, при этом большая часть установки находится под водой. Она также удерживает рекорд самого тяжелого объекта на воде. Весит платформа около 50 млн тонн ! От места строительства, до места назначения платформу везли 80 км . Для транспортировки использовались гиганских размеров поплавки, которые удерживали станцию на воде, не давая ей тонуть. После доставки, платформу «утопили» и закопали ее основание в грунт. Когда придет время нового месторождения, Тролль-А перевезут таким же образом на новое место.

А вот и наши почти неуловимые мюоны (почти что отрицательно заряженные нейтроны) из предыдущей статьи

Под катом привожу статью о мюонах, а также вопрос из нее, который я тоже задал себе в комментариях к предыдущему посту. А именно - почему зимой не бывает грозы?

Сто лет назад Виктор Гесс открыл, что Земля постоянно подвергается бомбардировке космическими лучами. Так называют потоки заряженных частиц, прилетающих к нам откуда-то сверху. Механизм их образования, вкратце, таков. Протон большой энергии, прилетевший откуда-то из глубокого космоса, сталкивается высоко в атмосфере с ядром молекулы и порождает ливень вторичных адронов . В нем есть осколки ядер, протоны, нейтроны, а также разнообразные нестабильные мезоны, в особенности самые легкие из них — пионы, которые распадаются на лету (рис. вверху поста).

В космических лучах имеется также и значительная доля мюонов — тяжелых собратьев электронов . Мюоны не участвуют в сильном взаимодействии, поэтому они обычно не рождаются напрямую в первичном столкновении, а появляются в космических лучах потом, из распада заряженных пионов. Поскольку они живут довольно долго (мы в этой задаче будем вообще их считать стабильными), то они успевают долететь до Земли, где и регистрируются. Кроме того, мюоны обладают очень большой проникающей способностью по сравнению с другими заряженными частицами. Если забраться под Землю, хотя бы на глубину в несколько метров, то от космических лучей только мюоны да неуловимые нейтрино, собственно, и остаются .

За прошедший век физики изучили свойства космических лучей и всех их компонент вдоль и поперек. Аккуратные измерения с помощью подземных детекторов показали, что поток мюонов не постоянен, а испытывает небольшие сезонные колебания. Более того, установлено даже, что он сильно коррелирует с температурой атмосферы . На первый взгляд, такая связь может показаться парадоксальной. Поток первичных космических лучей от времени года не зависит — ведь они прилетают из космоса. Процессы рождения и распада элементарных частиц вообще относятся к микромиру. Тогда какое отношение к этому всему может иметь температура атмосферы? Тем не менее этот экспериментальный факт известен давно и регулярно подтверждается новыми детекторами.

Задача

Объясните, почему поток мюонов, порожденных космическими лучами в атмосфере, зависит от температуры атмосферы. Когда этот поток выше — зимой или летом?

Потому ответим проще - поток мюонов выше летом вследствие особенностей атмосферы Земли.

P.S. : Вдогонку - не является ли мюонный поток электричеством Теслы - тем самым "холодным огнем" или как назвали это в честь Александра Чижевского - аэроионами Чижевского?

Тесла хотел отказаться раз и навсегда от использования мыла и воды в ванных комнатах.
Под воздействием аномалии, известной как "холодный огонь», человеческое тело находится под напряжением переменного тока в 2,5 миллионов вольт, при этом человек должен стоять на металлической пластине. Со стороны это выглядит так, как будто человек полностью окутан огнем. Этот метод работает благодаря проводимости человеческой кожи и, как правило, он эффективнее, чем мытье с мылом и водой. Также Тесла утверждал, что с помощью холодного огня человек не только очищается, а и получает огромный заряд бодрости. Об этом изобретении забыли из-за отсутствия финансирования.