Горизонты научного поиска

Mюоны и ядра, или Приключения мюона в ядре

Марк Твен, опровергая информацию о своей кончине, заметил: "Слухи о моей смерти несколько преувеличены". Но слухи о "смерти" ускорителя ЛЯП оказались вполне достоверными, хотя в лаборатории создаются новые исследовательские установки. Ушла в прошлое славная эпоха бурных дискуссий, кипения идей и зашкаливающего энтузиазма для проведения экспериментов на пучках протонов, мюонов и пионов. Каждый четверг в конференц-зале ЛЯП проходил дележ пучкового времени на следующую неделю, и завязывалась нешуточная борьба за ускорительное время. Руководитель каждого эксперимента демонстрировал чудеса красноречия и логики убеждения, что его-то эксперимент наиболее интересен, и именно в нем-то и решается судьба современной физики. В результате получали время почти все, но меньше того, что заявляли. А значит, ради экономии драгоценного ускорительного времени приходилось жить и готовить эксперимент в первом корпусе на всё отведенное время для подготовки и проведения измерений. Бытовые проблемы как-то решались: душ функционировал, какой-то холодильник был, один на всех обшарпанный диван, на котором спали по 2-3 часа по очереди. Но все были счастливы - неудобств не замечал никто! Главное - работа аппаратуры и измерение! Сепарированный мюонный пучок в низкофоновой лаборатории был доступен благодаря надежной работе группы вторичных пучков во главе с В.С.Рогановым.

МЮОННАЯ ФИЗИКА имеет свою особенность и преимущество - в процессе исследования экспериментатор может работать и общаться с отдельно взятым мюоном. Мю-мезон был открыт в космических лучах в 1936 году и назван мезотроном по аналогии с позитроном, открытым в 1933 году. Он был интересен тем, что оказался сильно проникающей частицей и проходил значительные слои вещества, теряя при этом энергию только на ионизацию. После открытия π-мезона и процесса π→μ распада мезотрон как вторичная частица получил название μ-мезон. В 1936-1937 гг. была обнаружена реакция π→μ→е распада, установлены основные свойства μ-мезонов.

С 1948-1949 гг. начинается второй период в экспе­риментальном исследовании свойств μ-мезонов, связанный с использованием ускорителей. Созданные на ускорителях пучки μ-мезонов позволили получить новые результаты. Так была развита спектроскопия мезорентгеновского излучения μ-мезонных атомов, давшая толчок для развития обширных исследований мезоатомных и мезоядерных процессов, также было обнаружено интересное явление μ-мезонного катализа реакции слияния протона и дейтона.

С конца 1956 г. начинается новый период в физике μ-мезонов: было обнаружено наличие у μ-мезона продольной поляризации, что позволило измерить его магнитный момент, а далее свойство деполяризации спина мюона позволило провести огромную серию исследований ядерных, атомных и даже химических свойств материи. Проблема деполяризации тесно связана с обнаружением нового водородоподобного атома, состоящего из μ⁺-мезона и электрона, названного мюонием. В это же время с большой точ­ностью было подтверждено, что μ-мезоны и электроны взаимодействуют с электромагнитным полем абсолютно идентично, и, таким образом, μ-мезон стали называть тяжелым электроном. Все известные мезоны являются участниками сильных взаимодействий, а μ-мезон только слабых. Поэтому принято использовать вместо μ-мезон название мюон, тяжелый электрон. А значит, и мюонные атомы.

Все вышеназванные проблемы и свойства мюонов широко и всесторонне исследованы в Лаборатории ядерных проблем с использованием мюонных и пионных пучков фазотрона.

ОБРАЗОВАНИЕ мюонного атома происходит при остановке мюона в веществе за очень короткое время (практически мгновенное), при этом мюон остается на К-орбите мюонного атома, и его пребывание завер­шается распадом или ядерным захватом. Мюоны, захваченные электрическим полем ядра, при переходе на более низкий энергетический уровень излучают кванты энергии, так называемые мезо­рентгеновские лучи, аналогичные рентгеновским лучам в обычных атомах. В результате такого перехода энергия его может быть испущена в виде гамма-кванта, но может быть передана в тяжелых элементах ядру и вызвать при этом возбуждение и деление ядра. Такой процесс деления был назван безрадиационным. Изучение этого процесса проведено известным теоретиком Давидом Фишеровичем Зарецким, который любил произносить известную фразу "Я человек простой, я говорю стихами", если его хвалили.

В качестве примера рассматривается ядро урана-238. Эти расчеты были отображены Зарецким в "Докладах советских ученых на II Международной конференции по мирному использованию атомной энергии" в Женеве в 1958 году. Согласно расчетам вероятность безрадиационных переходов в мезоатоме урана, где плотность ядерных уровней велика, должна быть значительной (5÷20). В мезоатоме свинца с малой плотностью ядерных уровней (магическое ядро) эта вероятность равна нулю. Основываясь на этих расчетах, группа физиков во главе с Бруно Понтекорво провела эксперимент по измерению разности выходов соответствующих радиационных рентгеновских переходов в U и Pb. Бруно Максимович всегда стремился к простоте во всем. Так и в этом эксперименте идея была оригинальна и проста: измерение разности выходов соответствующих радиационных рентгеновских переходов в уране и свинце одним детектором в одинаковых условиях. Получен экспериментальный результат, где наблюдалась четкая разница в спектрах мезорентгеновских излучений из урана и свинца на величину ~0,2. Значение этого открытия состоит прежде всего в обнаружении нового электромагнитного процесса в мезоатомах. Этот механизм подробно обсуждался на IV Международной конференции по физике высоких энергий и структуре ядра, проходившей в 1971 г. в Дубне.

Открытие внесено в Государственный реестр открытий СССР под №100 с приоритетом от 17 июня 1959 г. Формула открытия гласит: "Установлено неизвестное ранее свойство мезоатомов передавать без излучения всю энергию перехода мезона ядру, когда она близка к разности энергий ядерных уровней".

ИНТЕРЕСНО теперь проследить судьбу μ-мезона после деления ядра. Одним из возможных результатов безрадиационного перехода мюона в тяжелом мезоатоме может быть деление атомного ядра (мгновенное деление). При этом возникает вопрос: какова вероятность обнаружить мюон на легком или тяжелом осколках после деления? По одной теоретической работе эта вероятность обнаружить мюон на легком и тяжелом осколках предполагалась соответственно 10 и 90%, в другой работе оценка 50 и 50%. В работе Ю.Н.Демкова и его коллег (ЛГУ), используя энергии связи мюона в поле яд­ра конечных размеров, получена cредняя вероятность обнаружить мю­он на легком осколке 1% и, следовательно, 99% на тяжелом.

В присутствии связанного мюона на тяжелом осколке возможен резонансный процесс безрадиационного подброса мюона в возбужденное состояние с последующим мезоатомным радиационным переходом. Экспериментальное изучение и поиск этих мезорентгеновских линий были проведены в Боннском университете (ФРГ) группой профессора П.Давида. От СССР по инициативе С.М.Поликанова на эту "охоту" были приглашены Федор Карпешин (ЛГУ) как автор-теоретик данного процесса и Б.Сабиров (ОИЯИ) как экспериментатор, имеющий опыт работы с мюонами. Была предпринята подгонка предполагаемого мезорентгеновского суммарного спектра из осколка с помощью программы FIT, используя Гауссову функцию. Положение конгломерата было определено как 3910±40 кэВ с шириной 640±110 кэВ (полная ширина на половине высоты). Интенсивность этого конгломерата относительно интенсивности деления, наблюдаемой при мгновенном делении, была определена равной (6,0±2,1)%. Таким образом утверждается, что обнаружено мезорентгеновское излучение из осколка деления при безрадиационном делении урана в мю-захвате.

На снимке (слева направо): Шоводойн Гэрбиш, Б.М.Сабиров, Вольфганг Майер, Г.Г.Семенчук, Г.Е.Солякин.
Фото Юрия ТУМАНОВА

Б.М.ПОНТЕКОРВО в 1950 г. предположил, что взаимо­действие мю-мезона с ядром может быть описано по ана­логии с К-захватом в ядерном β-распаде реакцией р+μ→ n+v, в которой протон превращается в нейтрон с испусканием нейтрино. Долгое время считалось, что поглощение мю-минус-мезона ядром осуществляется благодаря его взаимодействию только с одним из протонов ядра, а все остальные нуклоны ядра выступают лишь в качестве внешней среды. В 1963 г. группа теоретиков НИИЯФ МГУ и Лаборатории теоретической физики ОИЯИ, руководимая профессором МГУ В.В.Балашовым, выдвинула принципиально иную модель этого процесса, в основу которой была положена идея о том, что поглощение мюона ядром имеет многочастичный коллективный характер. Разработана математическая теория явления и указаны направления его экспериментального изучения. Основным каналом при захвате μ-мезонов ядрами является ка­нал с вылетом нейтрона. Взаимодействие частица - протонная дырка в остаточном ядре приводит к коллективному возбужденному состоянию ядра - гигантскому резонансу. Рассчи­танные в рамках такого подхода энергетические спектры нейтронов имеют характерную линейчатую форму.

Энергетический спектр нейтронов из реакции ядерного μ--захвата в кислороде

Для проверки этих теоретических предсказаний в Лаборатории ядерных проблем под руководством В.С.Евсеева была организована серия экспериментов по измерению энергетических спектров нейтронов и поиску их линейчатой структуры. В качестве детектора использовался кристалл стильбена. В результате эксперимента полученные спектры нейтронов продемонстрировали линейчатый характер, который согласуется с данными публикаций и теоретическими расчетами.

Таким образом, в экспериментах, проведенных под руководством В.С.Евсеева, была обнаружена линейчатая структура в спектрах нейтронов, испускаемых при поглощении отрицательных мюонов. Достоверность открытия была подтверждена результатами работ американских и западноевропейских физиков.

Открытие внесено в Государственный реестр открытий СССР под №173 в следующей формулировке: "Установлено неизвестное ранее явление резонансного поглощения отрицательных мюонов атомными ядрами, заключающееся в том, что при поглощении отрицательных мюонов происходит коллективное возбуждение атомных ядер". Приоритет открытия установлен по двум датам: 22 октября 1963 г. (теоретическое обоснование), 8 октября 1968 г. (экспериментальное подтверждение).

Процесс поглощения мюонов через коллективные состояния типа гигантского резонанса могут также привести к испусканию заряженных частиц. Линейчатая структура спектра заряженных частиц будет проявляться менее отчетливо, чем в случае нейтронов. В.Г.Зинов (ЛЯП) с целью измерения энергетических спектров заряженных частиц при мю-захвате в легких ядрах создал экспериментальную установку с возможностями: разделения заряженных частиц по массам; измерения абсолютных энергетических спектров протонов, дейтронов и ядер трития. В результате исследований сделаны следующие выводы: чем больше масса заряженной частицы, тем меньше вероят­ность ее вылета, и поэтому в спектрах практически присутствуют только протоны и дейтроны; в пределах погрешностей измеренные спектры протонов из ядер серы и кальция согласуются со спектрами нейтронов, измеренными в США, но довольно сильно отличаются от спек­тров, приводимых в работе В.С.Евсеева.

ВСЕ РАССМОТРЕННЫЕ выше процессы вызывают возбуждение в процессе каскадных переходов мюона (резонансное или безрадиационное) и μ-захват ядром. Третье решение судьбы мюона, попавшего в сферу влияния ядра, осталось без внимания всех "мюонщиков", хотя косвенно, как бы мимоходом, упоминалась возможность распада мюона на К-орбите мюонного атома. Эксперимент по поиску этого процесса назревал неотвратимо. Поскольку мюон с орбитальным моментом l=0 создает вокруг ядра сферически-симметричное электромагнитное поле, то мгновенное снятие его вызывает электромагнитную встряску ядра, и это объясняет процесс, в котором должно происходить преимущественно монопольное возбуждение ядра. Основная задача эксперимента - это обнаружение гамма-излучения из соответствующего возбужденного уровня ядра в совпадении с электроном от распада мюона на К-орбите мюонного атома, которое будет служить доказательством существования третьего типа возбуждения ядра при мю-захвате. Теоретические оценки вероятности возбуждения нижайшего 0⁺-уровня для ядра самария-152 дали величину w≤3·10^-4. В 1976 г. автором данной статьи этот эксперимент был предложен первооткрывателю безрадиационного захвата мюона академику Б.М.Понтекорво. Предложение было принято и поддержано. Эксперименты были проведены на мюонных пучках ЛИЯФ, Гатчина, и ЛЯП ОИЯИ. Ввиду несовершенcтва детектирующей аппаратуры и электроники тех времен был получен лишь верхний предел вероятности процесса w<5·10^-3. Результаты позволяют наде­яться на успешное развитие в будущем исследований в этом направлении. Очевидно, что этот эксперимент следует повторить, значительно усовершенствовав детектирующую аппаратуру, чтобы можно было проводить измерения с большой статистикой в условиях очень низкого фона.

Басар САБИРОВ,
научный сотрудник ЛЯП