§ 99. «пи»-мезоны

В 1947 и 1948 гг. Поуэлл, Окиалини и вслед за ними другие физики обнаружили в космических лучах присутствие мезонов, отличающихся от [х-мезонов свойством сильного взаимодействия с атомными ядрами, т. е. действительно аналогичных «частицам Юка-ва» (§ 98). Этот род мезонов стали называть -мезонами (или пионами). Как и -мезоны, -мезоны имеют заряд электрона -мезоны) или позитрона -мезоны). Масса покоя -мезонов приблизительно в раза больше массы покоя -мезонов:

тогда как

В 1950 г. были открыты -мезоны, не имеющие заряда, нейтральные -мезоны, которые иногда называли также нейтретто. Их масса покоя на несколько масс электрона меньше массы заряженных -мезонов:

(Существование нейтральных [х-мезонов не обнаружено.)

Как и [х-мезоны, -мезоны являются неустойчивыми частицами и спонтанно распадаются с весьма малым средним временем жизни. При распаде заряженных -мезонов образуются [х-мезоны и испускается нейтрино; нейтральные -мезоны распадаются на два у-фотона:

Распад остановившихся -мезонов приводит к образованию медленных -мезонов, обладающих во всех случаях энергией около (при энергии нейтрино последнее обстоятельство

указывает, что распад заряженных -мезонов сопровождается испусканием только одного (а не двух, как при распаде -мезонов) нейтрино, как и должно быть при спине -мезона, равном нулю.

Исследования, проведенные при помощи толстослойных фотопластинок (§ 96 и 108), показали, что заряженные и нейтральные -мезоны появляются при ядерных превращениях, вызываемых столкновением первичных частиц космических лучей с ядрами различных элементов, входящих в состав земной атмосферы. Благодаря огромной энергии протоны и -частицы первичных космических лучей производят «взрыв» ядра и в результате образуются десятки частиц — возникает ядерный ливень. В таких взрывных ливнях наряду с выброшенными из ядра нуклонами в еще большем количестве обнаруживаются -мезоны. Энергия каждого из -мезонов в ядерных ливнях измеряется сотнями и нередко тысячами мегаэлектроновольт.

В 1948-1955 гг. были разработаны методы, позволяющие получать -мезоны в лабораторных условиях. Так, например, появление -мезонов обнаруживается при облучении бериллия, меди, тантала и других веществ протонами, разогнанными в ускорительных устройствах (§ 103 и 105) до энергии порядка Положительные -мезоны образуются при соударении протона с нейтроном, когда энергия относительного движения сталкивающихся частиц достаточно велика:

Рождение -мезонов сопровождает противоположное превращение: нейтрона в протон, что происходит, в частности, при взаимодействии нейтрона с жестким у-фотоном, имеющим энергию около

Как уже упоминалось, -мезоны, в отличие от -мезонов, сильно взаимодействуют с атомными ядрами, и, проникая в них, вызывают ядерные превращения. Отрицательные -мезоны при небольшой энергии могут быть (подобно -мезонам) захвачены полем ядра на стационарные орбиты, размеры которых в раз меньше электронных. Переходя за очень короткое время на нижележащие орбиты, -мезон в конце концов оказывается на самой нижней -орбите. Вслед за этим происходит захват мезона ядром. Конечно, захват мезона ядром может произойти и с более высоких орбит, но вероятность этого процесса мала. Распада -мезона на орбите, в отличие от -мезона в легких мезоатомах, никогда не происходит, так как -мезоны несравненно сильнее взаимодействуют с ядром, чем -мезоны.

В космических лучах -мезоны распадаются «на лету» раньше, чем успевают утратить существенную часть своей энергии на ионизацию; при этом большая часть (около 75%) энергии заряженных -мезонов уносится -мезонами (25% энергии приходится на долю нейтрино); энергия движения нейтральных -мезонов уносится фотонами распада; так возникают -мезоны и фотоны с энергиями в тысячи мегаэлектроновольт. Принимая во внимание сказанное в двух предыдущих параграфах, основные явления, наблюдаемые в космических лучах, можно представить в виде следующей схемы:

(см. скан)