Мюонное нейтрино (2)
На пролетном расстоянии l = 20 м между черенковским
счетчиком и железной защитной стеной происходил распад π-мезонов. Все частицы, кроме нейтрино, поглощались в защитной стене. Интенсивность фона адронов уменьшалась примерно на 20 порядков. Взаимодействия νμ и νμ 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 в искровых камерах. Общая масса нейтринного детектора составляла ~10 тонн. В результате этих экспериментов было показано, что при взаимодействии нейтрино, образующихся при распаде π-мезонов, с протонами и нейтронами,
наблюдаются только мюоны и не было обнаружено ни одного случая образования электронов или позитронов.
νμ + p → μ+ + n |
νμ + n → μ− + p (*) |
νμ + p →e+ + n |
νμ + n →e− + p (**) |
Наблюдение реакций (*) и отсутствие реакции (**) является доказательством того, что νμ (νμ ) и νe (νe )
являются разными частицами. Они имеют разные лептонные заряды Le и Lμ .
Пример
νμ + n → μ− + p
Le |
0 |
0 |
0 |
0 |
L |
+ |
0 |
+ |
0 |
μ |
1 |
1 |
||
Lτ |
0 |
0 |
0 |
0 |
|
u |
|
|
|
n |
d |
|
|
|
|
d |
|
W + |
|
νμ |
|
|
||
|
|
|
||
|
|
Процесс разрешён |
||
|
νμ + p → μ+ + n |
|||
Le |
0 |
0 |
0 |
0 |
L |
+ |
0 |
− |
0 |
μ |
1 |
1 |
||
Lτ |
0 |
0 |
0 |
0 |
u |
|
d |
p |
u |
|
μ+ |
|
Процесс запрещён
Мюонноенейтрино
Характеристика |
Численное значение |
Спин J, = |
1/2 |
Масса тνμ с2 , МэВ |
|
< 0.19 |
|
|
|
Электрический заряд |
0 |
Магнитный момент, e=/2mеc |
< 6.8·10−10 |
Время жизни/Масса, сек/эВ |
> 15.4 |
Лептонное число Lμ |
+1 |
Лептонные числа Lе, Lτ |
0 |
1962. Мюонное нейтрино
Melvin Schwarz |
Jack Steinberger |
Leon M. Lederman |
Мюонное нейтрино отличается от электронного нейтрино.
π+ → μ+ +ν
π− → μ− +ν
μ
μ
νμ ≡/ νe |
νμ ≡/ νe |
Нобелевская премия по физике 1988 г. - Л. Ледерман, М. Шварц, Дж. Стейнбергер.
За метод нейтринного пучка и демонстрацию дублетной структуры лептонов в результате открытия мюонного нейтрино.
Тау-лептон
Тау-нейтрино
τ-лептон
1975.
Открытие τ-лептона.
Martin L. Perl
τ-лептон и τ-нейтрино образуют
третье поколение лептонов
Нобелевская премия по физике
1995г. - М. Перл.
За открытие τ-лептона
Основные характеристики тау-лептона
|
Характеристика |
Численное значение |
|
|
|
|
|
Спин J, = |
|
1/2 |
|
Масса |
т с2 |
, МэВ |
1776.99±0.28 |
τ |
|||
Электрический заряд |
Равен заряду электрона |
||
Магнитный момент, e=/2 тτ с |
1±0.06 |
||
Время жизни, сек |
(2.906±0.011)·10−13 |
||
Лептонное число Lτ |
+1 |
||
Лептонные числа Le, Lμ |
0 |
||
τ− → e− +νe +ντ |
17.84% |
τ− → μ− +νμ +ντ |
17.36% |
τ− → адроны+ντ |
63% |
Распад τ-лептона
τ− |
ντ |
W− |
νe (νe,u) |
|
e−(μ−,d) |
τ − -лептон в результате слабого взаимодействия, которое происходит под действием W − -бозона, превращается в τ-нейтрино ντ . W − -бозон затем
распадается, превращаясь в одну из следующих пар частиц:
•электрон е−, электронное антинейтриноνe ,
•отрицательно заряженный мюон μ−, мюонное антинейтрино νμ ,
•кварк d, антикварк u .
Так как кварк d и антикварк u в свободном
состоянии не наблюдаются, а входят в состав адронов, в точке распада W − -бозона образуются
адроны, которые и наблюдаются в результате распада τ − - лептона.
Пример
|
τ− →e− +ν |
+ν |
|
|||
|
|
|
|
e |
τ |
|
Le |
0 |
|
+1 |
−1 |
0 |
|
Lμ |
0 |
|
0 |
0 |
0 |
|
Lτ |
+1 |
|
0 |
0 |
+1 |
|
τ − |
|
|
|
|
ν |
Распад разрешён |
|
|
W |
− |
|
eτ− |
|
|
|
|
|
νe |
||
|
|
|
|
|
||
|
τ− →μ− +ν |
+ν |
|
||
|
|
|
μ |
τ |
|
Le |
0 |
0 |
0 |
0 |
|
L |
0 |
+ |
− |
0 |
|
μ |
1 |
1 |
|
||
Lτ |
+1 |
0 |
0 |
+1 |
Распад разрешён |
|
τ − |
|
|
ν |
|
|
|
W − |
|
μτ− |
|
νμ
Пример
τ+ →e+ +ντ +νe
Le |
0 |
|
−1 |
0 |
+1 |
Lμ |
0 |
|
0 |
0 |
0 |
Lτ |
−1 |
|
0 |
−1 |
0 |
τ + |
|
|
|
|
ν |
|
|
|
|
|
τ |
|
|
W |
+ |
|
e+ |
|
|
|
|
|
νe
τ+ →μ+ +νμ +νe
L |
0 |
0 |
0 |
−1 |
e |
|
|
|
0 |
L |
0 |
− |
+ |
|
μ |
1 |
1 |
|
|
Lτ |
−1 |
0 |
0 |
0 |
τ+ →μ+ +νμ +νe
L |
0 |
0 |
0 |
+1 |
e |
|
|
|
0 |
L |
0 |
− |
+ |
|
μ |
1 |
1 |
|
|
Lτ |
−1 |
0 |
0 |
0 |
Распад разрешён
Распад запрещён
Распад запрещён
Наблюдение τ-лептона
τ − -лептон имеет время жизни τ ≈ 2.9 10−13 си
поэтому, как правило, регистрируется по каналам его распада. Для наблюдения
реакции e+ +e− →τ+ +τ− на фоне большого
количества адронов, целесообразно отбирать те каналы распада τ-лептонов, в которых образуются лептонные пары е− μ+ или е+ μ−, т. е. еμ-пары, имеющие
противоположные электрические заряды.
|
|
|
− |
− |
|
− |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
+ |
− |
τ |
|
→е νеντ или μ νμντ |
|
||||
e |
+e |
→ |
+ |
→е+νеντ или μ+νμντ |
(*) |
||||
|
|
τ |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
еμ-распады являются наиболее подходящими для наблюдения τ-лептонов,
так как в этом случае не образуются адроны, которые трудно регистрировать и интерпретировать. Нейтрино и антинейтрино, образующиеся в реакции (*), непосредственно не регистрируются.
τ - нейтрино
DONUT (Direct Observation of the NU Tau)
ντи др.частицы |
стальная |
|
пучок мишень |
магнит |
защита |
|
ντ |
|
протонов |
|
|
мюонный детектор калориметр для определения энергии частиц распада
дрейфовые камеры магнит
эмульсии и сцинтилляторы
стальная
защита
ντ
τ - нейтрино
DONUT (Direct Observation of the NU Tau)
образовани |
|
е τ-лептона |
|
пучок |
τ |
нейтрино |
след -лептона в |
эмульсии |
В результате взаимодействия ντ с железом образовывались τ-лептоны, которые оставляли
следы в фотоэмульсии
ντ + n →τ− + p
ντ + p →τ+ + n (*)
В результате анализа 107 событий было надёжно зарегистрировано 4 события (*).
τ-нейтрино
Тау-нейтрино и соответствующее
антинейтрино были впервые зарегистрированы в 2000 г. на нейтринном детекторе DONUT (Direct Observation of the NU Tau) в реакциях:
ν +n→τ− +p |
(*) |
τ |
|
ντ +p→τ+ +n
Нейтринный детектор DONUT состоял из железных пластин, между которыми располагались слои фотоэмульсии. В результате взаимодействия
τ-нейтрино с ядрами железа образовывались τ-лептоны, которые
оставляли в фотоэмульсии след длиной ≈ 1 мм. В первом эксперименте в результате анализа ≈ 107 событий было
надежно выявлено 4 случая реакций (*).
τ-нейтрино
Основные характеристики тау-нейтрино
Характеристика |
Численное |
|
|
значение |
|
Спин J, = |
1/2 |
|
Масса тντ с2 , МэВ |
< 18.2 |
|
Электрический заряд |
0 |
|
Магнитный момент, |
< |
−7 |
e=/2 тес |
3.9 10 |
|
|
|
|
Время жизни |
не измерено |
|
Лептонное число Lτ |
+1 |
|
Лептонные числа Lе, Lμ |
0 |
|