Материал: Добрецов Сборник лабораторных работ по ядерной физике Ч.3 2013

Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»

СБОРНИК ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ ПО ЯДЕРНОЙ ФИЗИКЕ

Часть третья

ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ: СВОЙСТВА И ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ

Москва 2013

УДК 539.1(076.6) ББК 22.383я7 С23

СБОРНИК ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ ПО ЯДЕРНОЙ ФИЗИКЕ. Ч. 3. Элементарные частицы: свойства и взаимодействия: Учебное пособие / Под ред. Ю.П. Добрецова. Изд. 3-е, испр. и доп. М.: НИЯУ МИФИ, 2013. – 128 с.

Авторы: Ю.П. Добрецов, В.П. Протасов, А.К. Поносов, Б.У. Родионов, Ф.М. Сергеев, А.И. Фесенко, В.А. Матвеев, О.В. Булеков, И.Ф. Ющук

Данное пособие – третья часть «Сборника лабораторных работ по ядерной физике». В него включены девять лабораторных работ по изучению характеристик элементарных частиц и их взаимодействий – сильных, слабых и электромагнитных.

Предназначено для студентов старших курсов МИФИ, специализирующихся в области экспериментальной физики.

Рецензент д-р физ.-мат. наук В.А.Григорьев

Рекомендовано к изданию редсоветом МИФИ в качестве учебного пособия

ISBN 978-5-7262-1805-2

©Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ», 2013

Р а б о т а 13

ОЦЕНКА СРЕДНЕЙ ЭНЕРГИИ МЮОНОВ КОСМИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

НА ПОВЕРХНОСТИ ЗЕМЛИ

Цель – измерение времени жизни космических мюонов, распадающихся на лету в атмосфере и оценка их средней энергии.

ВВЕДЕНИЕ

Мюоны были впервые открыты в составе жесткой компоненты космического излучения. Вместе с нейтрино и электроном они образуют класс лептонов. Мюоны – нестабильные частицы и со временем распадаются по схемам:

μ+ → e+ + νe + νμ ; μ– → e– + νe + νμ.

Масса мюона примерно в 207 раз больше электронной. Мюоны, как и электроны, ядернопассивны и рождаются в результате распада нестабильных сильновзаимодействующих частиц. На ускорителях протонов пучки мюонов получаются при распаде π- и К- мезонов на лету по схемам:

π± (K±) → μ± + νμ ( νμ ).

Отрицательный мюон, замедлившись в веществе, захватывается на соответствующую его массе боровскую орбиту и образует мюатом. При этом он может спонтанно распасться или захватиться ядром в результате слабого взаимодействия. Поэтому время жизни отрицательного мюона существенно зависит от ядерного состава замедлителя. Положительный мюон при замедлении захватывает электрон, образуя атом мюония Mu, по химическим свойствам эквивалентный атомарному водороду. Время жизни положительного мюона не зависит от вещества замедлителя.

За распад элементарных частиц ответственно слабое взаимодействие. В 1957 г. Ли и Янг выдвинули гипотезу, состоящую в том, что в слабых взаимодействиях не сохраняются пространственная (P) и зарядовая (С) четности. Впоследствии это было подтверждено

3

экспериментально. Относительно μ → e-распада несохранение Р-чётности проявляется в том, что число электронов (позитронов), испущенных по и против направления спина мюона, не равны между собой. Несохранение же С-четности приводит к отличию направления преимущественного испускания электронов и позитронов относительно направления спина мюона.

Определение средней энергии мюонов. Если известен спектр частиц

dNdE = f (E) ,

то средняя энергия определяется из соотношения

<E >= ∫E f (E) dE .

∫f (E) dE

Если частица нестабильна, как это имеет место для мюона, для определения <Е> можно воспользоваться прямой зависимостью времени жизни частицы, распадающейся на лету, от ее энергии. Пусть τ0 – время жизни мюона в системе координат, где он покоится. Наблюдая с Земли движущийся мюон, мы измерим время жизни τлаб, которое вследствие релятивистского преобразования времени связано с τ0 известным соотношением

где Е – полная энергия мюона; mμ с2 = 105,6 МэВ – его масса покоя. Если экспериментальная установка регистрирует все мюоны независимо от их энергий, то измеренное τлаб будет усредненным по спектру мюонов:

Величина τ0 должна быть предварительно определена по методике работы 14 или взята из таблицы элементарных частиц.

По существующему представлению, подтверждённому опытами, космические мюоны образуются в верхних слоях атмосферы в результате распада на лету π-мезонов (пионов), время жизни которых много меньше времени жизни мюонов. Пионы, в свою оче-

4