Взаимодействие мюонов с веществом

    Мюон – отрицательно заряженный лептон, имеющий массу m_μc² = 106 МэВ и время жизни
τ₀ = 2.2·10^-6 с. Мюон был открыт в 30-х годах в космических лучах. В результате анализа жесткой компоненты космических лучей, проникающей через большие толщи свинца, был сделан вывод, что составляющие ее частицы имеют массу, значительно превышающую массу электрона, и несут отрицательный заряд. Действительно, значительно бóльшие по сравнению с электронами пробеги мюонов в веществе можно объяснить малыми потерями их энергии на тормозное излучение. Мощность излучения заряда, испытывающего ускорение (замедление), пропорциональна квадрату ускорения. В свою очередь ускорение заряженной частицы в поле атомного ядра обратно пропорционально массе частицы. Поскольку масса мюона более чем в 200 раз превышает массу электрона, энергия, излучаемая при торможении мюона, меньше энергии, излучаемой электроном в том же поле, примерно в 4.3·10⁴ раза.
    Мюон – нестабильная частица. В соответствии со специальной теорией относительности время жизни быстро движущейся частицы зависит от ее скорости и растет с её увеличением согласно формуле

где c – скорость света в вакууме. Благодаря этому, мы имеем возможность регистрировать на поверхности Земли мюоны, рожденные на больших расстояниях от нее в атмосфере или космическом пространстве.
    Мюон распадается по трехчастичному каналу:

μ^– → е^– + _е + ν_μ,
μ⁺ → е⁺ + ν_е + _μ.

    Помимо этого процесса, в веществе возможен захват отрицательно заряженного мюона атомом вещества с образованием мезоатома. Когда μ^–, потерявший свою скорость в результате ионизационного торможения, оказывается вблизи атомного ядра, он может быть захвачен на одну из орбит, подобных тем, на которых находятся электроны атома, с той только разницей, что радиусы мюонных орбит в m_μ/m_е ≈ 200 раз меньше электронных. Подобно электронам, мюоны в мезоатоме могут переходить с одной орбиты на другую. Мезоатом существует до тех пор, пока мюон либо распадется, либо захватится протоном ядра по схеме:

μ^– + p → n + ν_μ.

Эксперименты показали, что вероятность захвата мюона всего в 30 раз больше вероятности его распада даже для такого тяжелого ядра, как свинец. Это говорит о том, что взаимодействие мюонов с ядрами чрезвычайно слабое. Так, в свинце мюон в течение времени 7·10^-8 с находится внутри атомного ядра и не поглощается им. Это время – характерное для процессов, идущих по слабому взаимодействию.
    В заключение заметим, что на процессе, обратном захвату мюона нуклоном, основан один из важнейших современных методов детектирования космических нейтрино высоких и сверхвысоких энергий. Мюонные нейтрино и антинейтрино проходят сквозь толщу Земли и создают в грунте или воде на большой глубине поток мюонов. Рождаясь в реакциях ν_μ + N → μ + X (N – нуклон, X – адронная компонента), мюоны при энергиях десятки ГэВ и выше сохраняют направление генерирующих их нейтрино с высокой точностью. При меньшей энергии угол вылета мюона относительно траектории нейтрино возрастает, вследствие чего возрастает и фон внутри этого угла, создаваемый нейтрино, генерируемыми космическими лучами в атмосфере Земли.
    Из-за чрезвычайно малого сечения взаимодействия нейтрино с веществом и малости потока нейтрино высоких энергий необходимы детекторы гигантских объемов. Для создания таких нейтринных детекторов используются естественные водные бассейны (детекторы ANTARES, NEMO, SAUND, HТ-200 (Байкал) и другие) или толща антарктического льда (AMANDA, IсeCube).
    Мюон, движущийся в среде со скоростью, превышающей скорость света в этой среде, испускает черенковское излучение под строго определенным углом, зависящим от энергии мюона и показателя преломления среды. Глубоководный нейтринный телескоп представляет собой пространственную решетку фотоумножителей, регистрирующих черенковский свет и позволяющих определить направление движения мюона и его энергию. Пробеги мюонов высоких энергий в веществе очень велики: например, при энергии 500 ГэВ мюон проходит в воде расстояние, превышающее 1 км, т.е. пересекает всю установку даже при очень больших её размерах. Это позволяет довольно точно определять направление на источник, однако затрудняет определение энергии мюона. При энергии менее 100 ГэВ мюон рождается и взаимодействует в пределах объема детектора, что позволяет с высокой степенью точности определить энергию мюона по длине его трека.
    В современных ускорительных экспериментах применяются многослойные детекторы частиц.  Поскольку мюоны имеют максимальный пробег в веществе детектора из всех регистрируемых частиц, для их детектирования обычно используются самые внешние участки детектора (мюонный детектор).

05.09.2018