Из истории мезонов и гиперонов
В 1932 году японский физик, Хидекей Юкава, предположил, что ядерные силы, действующие между протонами и нейтронами, вероятно, обуславливаются наличием нового типа частиц, которые служат "ядерным клеем", удерживающим атомные ядра вместе. Согласно теоретическим предположениям Юкавы, масса новых частиц должна находиться между массой протона и электрона, так что они получили название “мезоны”.
Спустя пять лет после введения этих совершенно гипотетических частиц для объяснения ядерных сил, они действительно наблюдались в космических лучах американским физиком, Карлом Андерсеном. Так называемые "первичные космические лучи", бомбардирующие атмосферу нашей планеты, образуются потоками протонов чрезвычайно высоких энергий и некоторых других более тяжелых положительно заряженных ядер, которые, вероятно, ускоряются электромагнитными полями в межзвёздном пространстве. Энергии этих основных космических частиц колеблются от сравнительно низких значений до тысяч миллиардов электрон-вольт. Сталкиваясь с ядрами атмосферного кислорода и азота во внешней границе атмосферы, частицы первичных космических лучей производят различные виды проникающей радиации, включая высокоэнергетические γ-кванты и потоки отрицательных и положительных электронов; фактически, положительные электроны были первоначально обнаружены в космических лучах. Наблюдая следы, оставленные космическими частицами в вертикальной камере Вильсона, помещённой между полюсами сильного магнита, Андерсен заметил, что траектории некоторых частиц, и положительно и отрицательно заряженных, были искривлены магнитным полем больше, чем ожидалось в случае быстрых протонов, но значительно меньше, чем должно иметь место с электронами. Исходя из наблюдаемого магнитного отклонения, Андерсен оценил, что этот новый вид частиц приблизительно в 200 раз тяжелее, чем электрон, что согласовывалось с теоретическим предсказанием Юкавы. Эти частицы сначала назвали "тяжелыми электронами", но позже название было заменено на "мезоны".
Более поздние исследования показали, что есть фактически два вида мезонов, более тяжелые, названные π-мезонами или пионами, и более легкие, известными как μ-мезоны. И пионы и мюоны могут нести или положительный или отрицательный электрический заряд, и кроме того, существуют также нейтральные пионы. Все эти новые частицы, так же как положительные и отрицательные электроны в космических лучах, генетически связаны друг с другом и образуют ряд, несколько похожий на ряд радиоактивных элементов. Теперь установлено, что первичные высокоэнергетические протоны, входящие во внешние края атмосферы, дают начало нейтральным и заряженным пионам. Нейтральные пионы обладают очень малым временем жизни (приблизительно 10-16 секунд) и, несмотря на их высокую скорость, распадаются на два γ-quanta:
… перед достижением поверхности Земли. Эти заряженные пионы (и положительные и отрицательные) живут несколько дольше (10-8 секунд), но, тем не менее, большинство из них распадаются высоко в атмосфере согласно уравнению:
Соответственно, для исследования пионов и их распада на мюоны, фотографическое оборудование, прикреплённое к большим воздушным шарам, нужно отправить высоко в стратосферу.
Среднее время жизни мюонов сравнительно длинное (10-6 секунд), и многие из них достигают поверхности земли, где их можно сфотографировать в обычных камерах Вильсона. Так как оборудование камеры Вильсона является слишком большим и тяжелым для отправки в воздушных шарах, исследователи космических лучей разработали новый метод фотографирования треков космических частиц на больших высотах. Вместо того чтобы использовать ионизирующие свойства быстрых заряженных частиц, проходящих через влажный воздух, новый метод основан на факте, что эти частицы воздействуют на зёрна, через которые они проходят при движении через мелкозернистую фотографическую эмульсию. Когда фотопластинку проявляют, она показывает тёмные полосы, соответствующие траекториям частиц. Очень редкая фотография этого вида, демонстрирующая образование пиона в результате столкновения частицы первичного космического излучения со сложным ядром и последующий распад этого пиона на мюон и электрон, показана на рис. ниже.
Кроме мезонов, масса которых занимает промежуточное звено между массами электрона и протона, недавние исследования космических лучей открыли частицы, которые тяжелее, чем протоны, и известны под общим названием “гипероны”. Изучение этих частиц и их взаимосвязи друг с другом было одно время самой интересной и наиболее важной областью исследований в физике.