К осмічне випромінювання. Мюони. Мезони. Їх властивості

Існування космічного випромінювання (космічних променів) було встановлено в 1912 р. по спричиняємій іонізації повітря; зростання іонізації з висотою доводило їхнє неземне походження; відхилення в магнітному полі показало, що первинні космічні промені є потоком заряджених частинок: більше 90% складають протони з енергією 10⁹…10¹³еВ, 7% - ядра гелію ( – частинки) і лише невелика частина (~1%) припадає на ядра більш важких елементів. Космічні промені містять також 1% релятивістських електронів з енергіями >1 ГеВ, позитронів – 0,1%, 0,01% антипротонів тощо. Випромінювання, що надходить на Землю, практично ізотропне з усіх напрямків космічного простору. Вважається, що воно має переважно галактичне походження. Енергетичний діапазон космічних променів 10⁶…10²⁰еВ.

Потрапляючи в атмосферу Землі, високоенергійні первинні космічні промені (протони та ін. ядра) зазнають зіткнення з ядрами атомів повітря. У результаті взаємодії відбувається розщеплення ядер і народження нестабільних елементарних частинок (вторинного космічного випромінювання). Схема взаємодії космічних променів з атмосферою Землі наведена на рис. 9.1. Як видно, вторинне космічне випромінювання за своєю природою і властивостями поділяється на ядерно-активний компонент (позначена цифрою 1), електронно – фотонний (цифра 2) і мюонний (цифра 3).

Мюони були спочатку передбачені Х. Юкавою у припущенні обмінного характеру ядерних сил. Ці частинки повинні, згідно з теорією Юкави, виконувати роль носіїв ядерної взаємодії, подібно до того як фотони є носіями електромагнітної взаємодії. Ці частинки дійсно були виявлені у вторинному космічному випромінюванні, у жорсткій його частині. Як виявилося, існує позитивний (μ⁺) і негативний (μ^-) мюони; заряд мюона дорівнює елементарному зарядові e. Маса мюона дорівнює 206,8 m_e, час життя – 2,2 мкс. Розпад мюонів відбувається за такими схемами

(9.1)

, (9.2)

де і – відповідно „мюонні” нейтрино й антинейтрино, що відрізняються від і – „електронних” нейтрино й антинейтрино. Зі схем розпаду випливає, що спіни мюонів, як і електрона, повинні бути 1/2 (в одиницях ), тому що спіни нейтрино (1/2) і антинейтрино (- 1/2) взаємно компенсуються.

Подальші експерименти показали, що мюони на роль носіїв ядерної взаємодії не підходять, тому що слабо взаємодіють з атомними ядрами. У 1947 р. була виявлена ядерно–активна частинка, що мала властивості, передбачені Юкавою, які розпадається на мюон і нейтрино. Цією частинкою виявився – мезон (піон).

Існують позитивний (π⁺), негативний (π^-) (їхній заряд дорівнює e) і нейтральний (π⁰) мезони. Маси π⁺ і π^- дорівнюють 273,1 m_e, маса π⁰-мезона дорівнює 264,1 m_e. Час життя заряджених піонів 26 нс, нейтрального – 0,810^-16с. Спін піонів дорівнює нулеві.

Розпад піонів відбувається в основному за схемами

(9.3)

(9.4)

. (9.5)

За сучасними уявленнями піони є носіями ядерної взаємодії. Подальші дослідження космічних променів і реакцій за участю частинок високих енергій, отриманих на прискорювачах, привели до відкриття K–мезонів (каонів) – частинок з нульовим спіном і з масами ~970 m_e: . Час життя каонів – 0,1...10 нс.