Мюоны (μ) были впервые обнаружены в 1936 году в составе
космических лучей. В табл.1 приведены основные характеристики мюона.
Таблица 1. Основные характеристики мюона
Спин, ћ
1/2
Масса, МэВ
105.658357+0.000005
Магнитный момент, eћ/2mμc
1.001165916+0.000000006
Среднее время жизни, с
(2.19703+0.00004)·10-6
Отрицательно заряженный и положительно заряженный мюоны
являются частицей и античастицей. Эксперименты показали, что как и должно быть с
частицей и античастицей, их средние времена жизни совпадают
(μ+)/(μ−) =
1.00002+0.00008.
Отрицательно заряженные мюоны распадаются на
электрон e-, электронное антинейтрино e
и мюонное нейтрино νμ.
μ− → e− + e
+ νμ.
Положительно заряженный мюон является
античастицей по отношению к − и
распадается на позитрон e+, электронное нейтрино νe
и мюонное антинейтрино μ.
μ+ e+ + νe
+ μ.
В табл. 2 приведены каналы распада μ-
Таблица. 2. Каналы распада μ-
Канал распада
Доля в %
e−eνμ
~100
e−eνμγ
1.4+0.4
e−eνμe−e+
(3.4+0.4)·10-5
Вместе c мюонным нейтрино (νμ) мюон
составляет второе поколение лептонов.
Основным источником мюонов высоких энергий являются космические
лучи и распады π-мезонов высоких энергий
π+
→ μ+ + νμ,
π- →
μ− + μ.
Кроме того, мюоны образуются в результате столкновений
высокоэнергетичных электронов и позитронов
e− + e+ → − + +
В веществе μ− могут входить в
состав атома (образуя мезоатом) и их время жизни в плотной среде уменьшается на
порядок.
В опытах
Л. Ледермана и др. в
1962 году было показано, что мюонное нейтрино отличается от электронного.
Схема опыта показана на рис. 1. В результате взаимодействия
пучка протонов с энергией 15 ГэВ с бериллиевой мишенью в большом количестве
образуются вторичные π+
и π−-мезоны. Информация об образовании π+ и π−-мезонов
поступала с черенковского счетчика. Мюонные нейтрино образовывались в результате
последующего распада π-мезонов.
π+
→ μ+ + νμ
π− →
μ− + μ
Рис. 1. Эксперимент по детектированию мюонного нейтрино
На пролетной базе (l = 20 м) между
черенковским счетчиком и железной защитной стеной происходил распад
π-мезонов. Все частицы, кроме нейтрино, поглощались в защитной стене.
Интенсивность адронов уменьшалась примерно на 20 порядков. Взаимодействия νμ
и μ
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.
Общая масса нейтринного детектора составляла ~10 тонн. В
результате этих экспериментов было показано, что при взаимодействии нейтрино,
образующихся в распаде π-мезонов с протонами и нейтронами наблюдались только
мюоны и не было обнаружено ни одного случая образования электронов и позитронов.
μ
+ p
→ μ+ + n
νμ + n → μ− + p
μ
+ p
e+ + n
νμ + n
e− + p
Эти и последующие эксперименты показали, что
νμνe, μe и μ
νμ и были установлены их лептонные числа Le и Lμ.