Приглашаем посетить сайт

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах
МЮОНИЙ

МЮОНИЙ

МЮОНИЙ (Mu) - связанное состояние электрона (е ^-) и положительно заряженного мюона(m⁺), водоро-доподобный атом, в к-ром роль ядра играет мюон. Изучение M. имеет важное значение для физики элементарных частиц и атомной физики, т. к. он является одной из простейших систем двух точечных зарягк. частиц - лептонов, взаимодействие к-рых с хорошей точностью описывается квантовой электродинамикой (др. системой такого рода является позитроний). С др. стороны, измерение поляризации M. в разл. веществах стало основой нового, весьма эфф. метода исследования структуры конденсиров. сред, кинетич. явлений, хим. реакций, фазовых превращений и др. (см. Мюонной спиновой релаксации метод).

Экспериментально M. был открыт в 1960 В. Хьюзом (V. W. Hughes) и др. Свободный M. в осн. состоянии может быть образован путём захвата атомного электрона положит. мюоном. Сначала этот процесс наблюдался в инертных газах при низком давлении. Обнаружение M. в др. средах осложняется высокой хим. активностью M., к-рый может рассматриваться как лёгкий изотоп водорода. Впервые M. в конденсиров. средах наблюдался в 1966 В. Г. Фирсовым и др.

M. является метастабильной системой вследствие распада мюона (за счёт слабого взаимодействия) на позитрон (е ⁺) и два нейтрино (m⁺ е ⁺ + v_e +) со временем жизни т 2,2^.10^-6 с. В результате исчезновение M. сопровождается испусканием позитрона с макс. энергией ок. 53 МэВ, двух нейтрино и низкоэнергетич. электрона.

Из-за эффектов несохрансния чётности в слабом взаимодействии мюоны, возникающие от распада p-ме-зонов (p⁺ m⁺ + v_m), поляризованы (в направлении, противоположном их импульсу), а позитроны в распадах мюонов обладают асимметрией в угл. распределении по отношению к направлению спина мюона. При ку-лоновском захвате электрона поляризов. мюоном образуются поляризов. атомы M. с неравной населённостью уровней сверхтонкой структуры. Изменение этих насе лённостей во внеш. магн. поле может быть обнаружено по изменению в угловых распределениях позитронов распада.

M. впервые обнаружен по ааблюдению характерной частоты лармороиской прецессии в магнитном поле f_LMu m _БH/h 1,40·H МГц (m _Б = е/2 т _е с- магнетон Бора, m _е - масса электрона, H - напряжённость магн. поля). Для свободного мюона ларморовская частота f_Lm 2m⁰_m H/h13,5^.H кГц примерно в сто раз меньше, где нормальный магн. момент мюона (m_m - масса мюона).

В низшем приближении взаимодействие электрона и мюона - чисто кулоновское, и нерелятивистское ур-ние Шрёдингера приводит к такому же выражению для уровней энергии M., как для атома водорода:

где n =0, 1, 2, ...- гл. квантовое число, - постоянная Ридберга. T. к. спины электрона и мюона равны ¹/₂ то в S -состояниях квантовое число полного угл. момента M. может принимать два значения: F=1и F=0. Взаимодействие магн. моментов электрона и мюона вызывает сверхтонкое расщепление уровней энергии M., характеризуемых этими двумя значениями F. Соответствующий интервал сверхтонкой структуры в осн. состоянии M. ( п =1) в первом приближении даётся ф-лой Ферми (1939):

где a_m - аномальный магнитный момент мюона (m_m, m_p - магн. моменты мюона и протона, a - постоянная тонкой структуры).

Релятивистское ур-ние для волновой ф-ции системы двух дираковских частиц и аппарат квантовой электродинамики позволяют вычислять поправки к уровням энергии M. в виде разложения по степеням малых параметров a и т _е/ m_m. Однако коэф. этого разложения содержат также зависимость от логарифмов этих параметров. В результате теоретич. значение интервала сверхтонкого расщепления в основном 1S -состоянии M. можно представить в виде

В этом выражении Dv_F даётся равенством (1), а _е - аномальный магн. момент электрона в единицах m _Б, коэф. А и В характеризуют вклад релятивистских и чисто ра-диац. эффектов в пределе бесконечной массы мюона, т. е. при ( т _е/т_m)0, коэф. С и D связаны с кванто-воэлектродинамич. эффектами отдачи (конечностью массы) мюона. Использование известных выражений для коэф. А, В, С, D, принятых значений фундам. констант , с, a, m_p/m _Б, a также значений отношений m_m/m_p = 3,18334547(95) и m_m/m_e =206,768259(62) даёт теоре-тич. значение

Тонкая и сверхтонкая структура уровней энергии M. полностью аналогична структуре уровней атома водорода. В частности, лэмбовский сдвиг в M. (разность уровней 2S_1/2-2 Р_1/2) составляет

Величину сверхтонкого расщепления осн. уровня M. удаётся очень точно измерить, помещая M. во внеш. статич. магн. поле. При этом вследствие Зеемана эффекта в основном 1S -состоянии возникает система уровней, определяемая ф-лой Брейта - Раби (1931):

где магн. квантовое число M_F=-1, 0, 1 для F =1 и M_F =0 для F= 0, g_em(Mu) - электронное и мюон-ное гиромагн. отношение в M. Идея эксперимента состоит в индуцировании магн. дипольных переходов между уровнями с разными M_F с помощью источника микроволнового излучения. Происходящие переходы детектируются по изменениям в угл. распределениях позитронов от распада мюонов. Резонансные переходы наблюдались в широком интервале внеш. магн. полей от очень слабых, H < 2 мГс, до сильных, H ~ 10 кГс, и при разл. давлениях инертного газа от неск. атм до десятков атм.

Эксперим. значение интервала сверхтонкого расщепления осн. уровня M. получается из соотношения (5) после экстраполяции к нулевому давлению газа и составляет

Указанное значение Dv найдено из одновременных измерений переходов v₁₂ и v₃₄ в магп. поле 13,6 кГс. Из этих же данных можно найти приведённое выше значение m_m/m_p. Прекрасное согласие теоретич. и эксперим. значений Dv в M. свидетельствует о справедливости квантовой электродинамики и релятивистской теории связанных состояний, а также о самосогласованности определения значений фундам. физ. констант. Наличие неск. частот переходов с D М _F = 1 в M. приводит к двухчастотной прецессии спина мюона в магн. поле, открытой И. И. Гуревичем и др. и широко используемой при исследовании хим. свойств конденсиров. сред (mSR -спектроскопия). В 1984 впервые была измерена величина лэмбовского сдвига уровней с n = 2 в M.: = 1060(15) МГц.

Проводятся поиски превращения M. в антимюоний, т. е. (m⁺b^-) (m^-b⁺), к-рое свидетельствовало бы о нарушении сохранений электронного и мюонного лептон-ных чисел, ожидаемом в нек-рых совр. теориях элементарных частиц.

Лит.: Бабаев А. И. и др., Наблюдение атомарного мюо-ния в кристаллическом кварце, "Письма в ЖЭТФ", 1966, т. 3, с. 3; Гуpевич И. И., Никольский Б. А., Двухчастот-ная прецессия m⁺ -мезона в атоме мюония, "УФН", 1976, т. 119, с. 169; Hughes V. W., Kinoshita Т., Electromagnetic properties and interactions of muons, в кн.: Muon physics, ed. by V. W. Hughes, G. S. Wu, v. 1, N. Y., 1977; Brewer J. H., Сrоwе К. M., Advances in muon spin rotation, "Ann. Rev. Nucl. Part. Sei.", 1978, v. 28, p. 239; Hughes V. W., Put-litz G. Z., Muonium has not yet decayed!, "Comm. Nucl. Part. Phys.", 1984, v. 12, p. 259. P. H. Фаустов.