Магнит постоянный магнит сверхпроводящий магнитная анизотропия

МЮОННЫЙ КАТАЛИЗ, явление син­теза (слияния) ядер изотопов водоро­да при норм. условиях, происходящее при существ. участии мюонов. В от­сутствие мюонов вероятность таких реакций, напр. дейтерия d+d  ³Не+n; t+p или дейтерия и трития d+t⁴He+n, требует высоких энер­гий сталкивающихся ч-ц (эквивалент­ных нагреванию в-ва на неск. десят­ков — сотни млн. град.). При тормо­жении отрицательно заряж. мюонов в смеси изотопов водорода образуются мюонные атомы (см. Мезоатом) р, и d,. Из-за малых размеров и электро­нейтральности мезоатомы водорода ве­дут себя подобно нейтронам: они могут свободно проникать через электрон­ные оболочки атомов и подходить на близкие расстояния к ядрам др. ато­мов. При этом происходят многообраз­ные -атомные и -молекулярные яв­ления, такие, как перехват мюонов ядрами более тяжёлых изотопов: р+d d+p, образование мюонных молекул: d+ppd, и т. д. В мюон­ных молекулах ядра удалены друг от друга на расстояния ~5•10^-11 см, что в сотни раз меньше ср. расстояний между ядрами в жидком и газообраз­ном водороде. Поэтому в мюонных мо­лекулах вероятность слияния ядер, напр. по реакциям pd ³Не+^-, dd³He+n+^- и др., в миллионы раз больше, чем при столкновении -атома с ядром по реакции d+p³He+^-. Освободившийся ^- вновь может образовать мезоатом d и по­вторить ещё раз всю цепочку реак­ций d+p >pd³He+^- и т. д. В принципе число таких реакций огра­ничено лишь временем жизни мюона ~=2.2•10^-6 с. Однако в действитель­ности почти всегда мюон в процессе реакции «прилипает» к образовавше­муся ядру гелия pd ³Не+ и в дальнейшем не участвует в цикле последоват. реакций, приводящих к син­тезу ядер. Эта реакция «отравления катализатора» не столь существенна при синтезе ядер дейтерия dd³He+n+^-, в к-рой только 12% мюонов прилипают к ядру ³Не по реакции dd ³He+n.

На возможность каталитич. цепочки реакций указал Ф. Франк (США, 1947). В 1959 Я. Б. Зельдович выполнил первые расчёты этого процесса, а в 1957 амер. физик Л. Альварес наблю­дал его экспериментально. К нач. 80-х гг. М. к. яд. реакций синтеза хорошо изучен как экспериментально, так и теоретически.

В 1977 в результате теоретич. рас­чётов было обнаружено существование у мезомолекулы dt, слабосвязанного состояния с энергией ~1 эВ. Благо­даря наличию такого состояния мезо­молекулы dt, должны образовывать­ся резонансным образом с большой скоростью (в конденсированной среде за время 10^-8 с). В 1979 этот вывод был подтверждён экспериментально в Лаборатории яд. проблем ОИЯИ (Дуб­на). Т. к, вероятность прилипания ^- к ⁴Не. образовавшемуся в реакции dt ⁴Не+n+^-+17,6 МэВ, со­ставляет ~1%, то один ^- в смеси дейтерия и трития может осуществить

441

• Зельдович Я. Б., Г е р ш т е й н С. С., Ядерные реакции в холод­ном водороде, «УФН», 1960, т. 71, в. 4; Пономарев Л. И., Мюонный катализ ядерных реакций синтеза, «Природа», 1979, № 9.

МЮОНЫ (устар. -мезоны), неста­бильные заряж. элем, ч-цы со спином ¹/₂, временем жизни 2,2•10^-6 с и мас­сой, прибл. в 207 раз превышающей массу эл-на (в энергетич. ед. ок. 105,7 МэВ); относятся к классу лепто­нов. Отрицательно заряж. (^-) и поло­жительно заряж. (⁺ ) М. явл. ч-цей и античастицей по отношению друг к другу.

Открытие. М. были впервые обнаружены в косм. лучах (1936—37) амер. физиками К. Андерсоном и С. Неддермейером. Вначале М. пыта­лись отождествить с ч-цей, к-рая, со­гласно гипотезе япон. физика X. Юкавы, явл. переносчиком яд. сил. Однако такая ч-ца должна была бы интенсивно взаимодействовать с ядрами, тогда как опытные данные показывали, что М. слабо взаимодействует с в-вом. Этот «парадокс» был разрешён в 1947 после открытия пи-мезона, обладающего св-вами ч-цы, предсказанной Юкавой, и распадающегося на М. и нейтрино:

pi^±^±+v_(v^~).

И с т о ч н и к и. Осн. источником М. в косм. лучах и на ускорителях вы­соких энергий явл. распад pi-мезонов (пионов) и К-мезонов (каонов), интен­сивно рождающихся при столкнове­ниях адронов — протонов с ядрами и др. Другим (слабым) источником М. может быть, напр., процесс рождения пар ⁺^- фотонами высоких энергий, распады гиперонов, «очарованных» час­тиц и др. На уровне моря М. образу­ют осн. компоненту (~80%) всех ч-ц косм. излучения. На совр. ускорите­лях высокой энергии получают пучки М. с интенсивностью до 10⁸—10⁹ ч-ц в 1 с.

Спин мюонного нейтрино v_, воз­никающего вместе с ⁺ при распадах pi⁺ и К⁺ , ориентирован против направ­ления импульса v_, а спин мюонного антинейтрино v^~_. от распадов pi^- и К^- — в направлении импульса v^~_. Отсюда на основании законов сохра­нения импульса и момента кол-ва движения следует, что спин ⁺ , обра­зующегося от распада покоящихся pi⁺ или К⁺ , направлен против его им­пульса, а спин ^- — в направлении импульса. Поэтому М. в зависимости от кинематич. условий их образова­ния и спектра пионов и каонов оказы­ваются частично или полностью поля­ризованными в направлении своего импульса (^-) или против него (⁺).

В з а и м о д е й с т в и е. Слабое взаимодействие М. вызывает их рас­пад по схеме: ^± e^±+v_e(v^~_e)+v^~_(v^~_); эти распады и определяют время жиз­ни М. в вакууме. В в-ве ^- «живёт» меньше: останавливаясь, он притяги­вается положительно заряж. ядром и образует м ю о н н ы й а т о м (-мезоатом). В мезоатомах благодаря сла­бому вз-ствию может происходить процесс захвата ^- ядром А: -+Z^A_Z-1A+v_ (Z — заряд ядра). Этот процесс аналогичен электронному захвату и сводится к элем. вз-ствию ^-+pn+v_.. Вероятность захвата ^- ядром растёт для лёгких элементов пропорц. Z⁴ и при Z~=10 сравнивается с вероятностью распада ^-. В тяжёлых элементах «время жизни» останавли­вающихся ^- определяется в осн. ве­роятностью их захвата ядрами и в 20—30 раз меньше времени жизни в вакууме.

Из-за несохранения чётности в сла­бом вз-ствии при распаде ⁺е⁺+v_e+v^~_ наиболее энергичные пози­троны вылетают преим. в направле­нии спина ⁺ , а эл-ны в распаде ^-e^-+v^~_e+v_, — преим. в направ­лении, противоположном спину ^-

(рис.). Т. о., изучая асимметрию вы­летов эл-нов (позитронов) в этих рас­падах, можно определить направле­ние спина ^-(⁺).

Опыт показывает, что во всех из­вестных вз-ствиях М. участвует в точ­ности так же, как эл-н, отличаясь от него только массой. Это явление наз. —е-у н и в е р с а л ь н о с т ь ю. Вместе с тем М. и эл-н отличаются друг от друга нек-рым внутр. квант. числом — лептонным зарядом и такое же различие имеется для соответст­вующих им нейтрино. Доказательст­вом этого служит тот факт, что нейтри­но, возникающее вместе с М,, не вызывает при столкновении с нукло­нами рождение эл-на, а также то, что не наблюдаются распады ^±е^±+ и ^± 2е^±+е^±.

Существование —е-универсальности ставит перед теорией элем. ч-ц важную и до сих пор не решённую проблему: поскольку принято считать, что масса ч-ц имеет полевое происхож­дение (т. е. определяется вз-ствиями, в к-рых участвует ч-ца), то непонятно, почему эл-н и М., обладающие совер­шенно одинаковыми вз-ствиями, столь различны по своей массе. С проблемой

—е-универсальности связан также вопрос о возможном существовании др. лептонов с массой, большей, чем у М. В 1975—76 в опытах на встреч­ных е⁺е^--пучках был открыт один из таких заряж. лептонов — -лептон (⁺, ^-) с массой ок. 1,8 ГэВ (см. Тяжёлый лептон).

П р о н и к а ю щ а я с п о с о б н о с т ь м ю о н о в. М. высокой энергии тормозятся в в-ве за счёт эл.-магн. вз-ствия с эл-нами и ядрами в-ва. До энергии ~10¹¹—10¹² эВ М. теряют энергию в осн. на ионизацию атомов среды, а при более высоких энергиях становятся существенными потери энергии за счёт рождения электрон-позитронных пар, испускания -квантов тормозного излучения и расщепле­ния ат. ядер. Т. к. масса М. много больше массы эл-на, то потери энергии быстрых М. на процессы тормозного излучения и рождения пар значитель­но меньше, чем потери энергии быст­рых эл-нов (на тормозное излучение) или -квантов (на рождение пар е⁺е^-). Эти факторы обусловливают высокую проникающую способность М. как по сравнению с адронами, так и по срав­нению с эл-нами и -квантами. В ре­зультате М. косм. лучей не только легко проникают через атмосферу Зем­ли, но и углубляются (в зависимости от их энергии) на значит. расстояния в грунт. В подземных экспериментах М. космических лучей с энергией 10¹²— 10¹³ эВ регистрируются на глубине не­скольких км.

П о в е д е н и е м ю о н о в, о с т а н а в л и в а ю щ и х с я в в е щ е с т в е. Медленные М., теряя энер­гию на ионизацию атомов, могут ос­танавливаться в в-ве. При этом ⁺ в большинстве в-в присоединяет к себе ат. эл-н, образуя систему, аналогич­ную атому водорода,— т. н. мюоний, к-рый может вступать в такие же хим. реакции, как и атом водорода. Отрицат. М., останавливающиеся в в-ве, обра­зуют -мезоатомы, боровский радиус к-рых в (m_/m_e)Z раз меньше, чем у ато­ма водорода, где m_ — масса М., m_e— масса эл-на. Мезоатомы возникают в возбуждённых состояниях, а затем, испуская последовательно -кванты или передавая энергию ат. эл-нам, переходят в осн. состояние. Измеряя энергию -квантов, можно получить сведения о размерах ядер, распреде­лении электрич. заряда в ядре и др. хар-ках ядра. В мезоатомах с тяжё­лыми ядрами наблюдаются безрадиац. переходы мюонов в осн. состояние, сопровождающиеся возбуждением (в т. ч. делением) ядер. Своеобразно поведение в в-ве мезоатомов водорода и его изотопов — дейтерия, трития (см. Мюонный катализ). См. также Мезо­атом, Мезонная химия.