Измерение неизмеримого - Абрамов А.И.
Скачать (прямая ссылка):
помещенной в магнитное поле
стинки должна сильно различаться (рис. 48).
164
траектории, радиус кривизны которых измерить легко, но длина пробега их настолько велика, что в камере Вильсона она не укладывается. Поэтому одна из первых установок для определения массы частиц космических лучей состояла из двух камер Вильсона, расположенных одна под другой. Первая из них помещалась в магнитном поле, а во вторую вносилось несколько тонких пластин свинца. Свинец во много раз сильнее тормозит частицы, чем воздух, но и в этом случае частица могла пройти насквозь, например, четыре пластины и остановиться в пятой. Таким образом, установка позволила по радиусу траектории в первой камере определить количество движения частицы и одновременно с помощью второй камеры — длину ее пробега в свинце. Отсюда уже можно было найти и массу частицы.
Результат эксперимента был крайне неожиданным: масса проникающих частиц космических лучей оказалась больше массы электрона, но только лишь примерно в 200 раз, тогда как протон тяжелее электрона в 1836 раз. Ничего другого не оставалось, как признать существование новой частицы, занимающей промежуточное положение между электроном и протоном. Эту частицу называют теперь мюоном*.
Поскольку нигде, кроме космических лучей, мюоны первоначально не обнаруживались, а на разных расстояниях от поверхности Земли их потоки были различными, можно было предположить, что они нестабильны и со временем превращаются в какие-то другие частицы. И в самом деле, очень скоро при изучении следов мюонов в фотоэмульсиях было обнаружено, что они распадаются с испусканием электрона и, вероятно, двух нейтрино. Обозначив мюон буквой д, а нейтрино р, можно представить процессы распада мюонов (которые, как оказалось, бывают и положительными, и отрицательными) схемами
JLt+ е+ + 2v\ \f е~ + 2v
(здесь плюс и минус обозначают знак электрического заряда частиц).
Изучение распада мюона позволило уточнить его массу. Действительно, мюон при распаде превращается в электрон и два нейтрино. Масса электрона т€ составляет около 1/200 массы мюона. Немного позже будет рассказано о том, как была оценена масса нейтрино. Забегая вперед, отметим, что масса
* Первоначально эту частицу называли fir мезоном, но теперь термин "мезон" употребляется для названия другого класса частиц.
165
нейтрино во много раз меньше массы электрона. Значит, суммарная масса образующихся частиц, по крайней мере, гораздо меньше массы мюона. Но тогда куда же девается основная часть этой массы? Ответ на данный вопрос подсказывает теория относительности: разность масс мюона и образующихся при его распаде частиц переходит в кинетическую энергию последних. Эту энергию легко найти с помощью известной формулы Эйнштейна AE = А(тс2)9 которая применительно к данному случаю запишется так:
E6 + 2Ep= [m? - (те + 2mv)] с2.
Так как масса нейтрино во много раз меньше массы электрона, величиной mv в этой формуле можно пренебречь и тогда
Ее + 2Ep = (Tn11 - те)с2.
Энергию электрона найти просто, хотя бы по длине его пробега в фотоэмульсии. Зарегистрировать нейтральные частицы — нейтрино, а тем более измерить их энергию оказалось невозможным. Но, проведя много экспериментов, в каждом из которых измерялась энергия электронов, установили, какую максимальную энергию может получить электрон при распаде мюона. Нетрудно догадаться, что максимальную энергию электрон получает в том случае, когда оба нейтрино вылетают по отношению к нему строго в противоположную сторону. Из закона сохранения количества движения 2pv должно равняться количеству движения электрона:
Pe =2Pv>
а так как при больших энергиях количество движения любых частиц связано с их энергией отношением E =рс, максимальная энергия электрона точно равна энергии обоих нейтрино:
(Ее) макс = 2EV.
Поэтому написанное выше соотношение для массы мюона можно окончательно переписать следующим образом:
2(Яе)макс я(тм- те)с2.
Теперь в нем все величины, кроме массы мюона, уже известны. Многочисленные измерения энергии распада мюонов позволили установить, что их масса равна приблизительно 207 массам электрона.
166
В 1946-1947 годы советские физики А. И. Алиханов и А. И. Алиханьян также при исследовании космических лучей методом отклонения в магнитном поле получили данные, указывающие на существование частиц больших масс, чем масса мюона, причем некоторые из них были даже тяжелее протона. В последующие годы было установлено существование целой серии новых, неизвестных до этого частиц. Так, в 1947 году Пауэл в космических лучах, а в следующем году Гарднер и Лэттес в излучении ускорителя обнаружили частицы массой около 270 масс электрона. Эти новые частицы стали называть ті-мезонами, или пионами. Затем были открыты К-мезоны массой около 970те. Подтвердилось и существование частиц, масса которых превышает массу протона, — так называемых гиперонов. Приведенная в приложении таблица отражает современные сведения об основных элементарных частицах. Поиски новых частиц продолжаются и поныне, так что скоро эту таблицу придется, по всей вероятности, расширить еще больше.
