Мезонная ядерная физика

В последнее время физики обратили внимание на то, что около ядра располагается много пи-мезонов - своеобразная пи-мезонная жидкость, пионный конденсат.

Изучая закономерности, явления и свойства элементарных частиц семейства мезонов, советские ученые сделали ряд важных научных открытий.

Безрадиационные переходы в мезоатомах

Электромагнитные свойства мюона (заряд, магнитный момент и т. д.) полностью совпадают с электромагнитными свойствами обычного электрона. Однако, несмотря на такую тождественность, масса мюона в 200 раз больше массы электрона. Поэтому во всех электромагнитных процессах мюон ведет себя как "тяжелый" электрон.

Раньше было известно, что MIOOHI*, захваченные электрическим полем ядра, при переходе на более низкий энергетический уровень излучают кванты энергии, так называемые мезорентгеновские лучи, аналогичные рентгеновским лучам, испускаемым при переходе электрона на низкий уровень в обычных атомах, но гораздо более энергичные. Академик Б. М. Понтекорво, доктор физико-математических наук Д. Ф. Зарецкий, кандидаты физико-математических наук М. Я. Балац и Л. Г. Ландсберг, кандидат технических наук П. И. Лебедев и научные сотрудники Л. Н. Кондратьев и Ю. В. Обухов теоретически и экспериментально доказали, что переход мюона в тяжелых мю-мезоатомах (урана, плутония и т. д.) может происходить без излучений квантов. Они установили, что в этих мю-мезоатомах энергия перехода может полностью передаваться ядру.

Значение открытия состоит прежде всего в обнаружении нового электромагнитного процесса в мезоатомах, в возможности изучения поведения возбужденных ядер и осуществления ядерных реакций нового типа. Механизм ядерных реакций этого типа подробно обсуждался на IV Международной конференции по физике высоких энергий и структуре ядра, проходившей в 1971 г. в Дубне. Сейчас советские ученые работают над вопросом практического приложения открытия к области ядерной технологии.

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".

Явление двойной перезарядки пи-мезонов

Доктор физико-математических наук В. М. Сидоров и кандидаты физико-математических наук С. А. Бунятов, Ю. А. Бутусов и В. А. Ярба, проводя многочисленные эксперименты на синхроциклотроне в Объединенном институте ядерных исследований в Дубне, открыли неизвестное ранее превращение положительного пи-мезона в отрицательный. Реакция может идти и в обратную сторону - от отрицательного пи-мезона к положительному.

Открытие явления двойной перезарядки пи-мезона имеет важное теоретическое значение. Если выстрелить частицей в ядро вещества, два протона могут превратиться в нейтроны. Этот вывод был подтвержден в экспериментах при бомбардировке пи-мезонами мишеней, содержащих бериллий, углерод, серебро, алюминий, свинец.

В последнее время среди физиков усилился интерес к вопросу возможности существования многонейтронных систем и даже "нейтронных капель". Речь идет о вероятном существовании нейтронного вещества во Вселенной, о предполагаемых далеких нейтронных звездах. Открытие двойной перезарядки пи-мезонов советскими учеными и исследования ученых других стран, возможно, найдут ключ к решению этой интересной научной проблемы в лабораторных условиях. Используя метод управляемого изменения заряда ядра, можно попытаться получить так называемое нейтральное вещество и изучить его свойства, создать изотопы с большим избытком нейтронов или протонов.

Открытие явления двойной перезарядки пи-мезонов регистрировано под № 77 с приоритетом от ноября 1963 г. в следующей формулировке:

"Экспериментально установлено ранее неизвестное явление двойной перезарядки пи-мезонов, выражающееся в том, что при взаимодействии с атомным ядром положительный пи-мезон превращается в отрицательный или отрицательный пи-мезон превращается в положительный без образования дополнительных пи-мезонов".

Сейчас в Дубне ведутся дальнейшие исследования двойной перезарядки пи-мезонов. Вместе с советскими физиками в этих экспериментах участвуют физики Болгарии, Монголии и Румынии. В соглашении, заключенном между Объединенным институтом ядерных исследований в Дубне и Французским центром ядерной физики в Страсбурге, также предусмотрены совместные исследования этой проблемы. К реакциям двойной перезарядки проявили большой интерес физики США, Японии, Италии и других стран.

Распад омега-мезона на нейтральный пи-мезон и гамма-квант

Омега-мезон является одним из интереснейших представителей мезонов. По предположению некоторых физиков-теоретиков, вместе с подобными ему частицами, так называемыми векторными мезонами, он определяет характер сильных взаимодействий, точно так же, как гамма-квант определяет характер электромагнитных взаимодействий. В связи с этим знание свойств омега-мезона имеет весьма важное значение для ядерной физики. Омега-мезон живет исключительно недолгое время и в свободном виде в естественных условиях не наблюдается. Изучать эту частицу можно лишь в экспериментах на ускорителях. Впервые ее обнаружили в 1961 г. Исследования показали, что омега-мезон распадается на незаряженные частицы, однако природа этих частиц оставалась неизвестной из-за трудностей их наблюдения.

В ходе опытов, проводимых группой ученых Института теоретической и экспериментальной физики, была создана уникальная высокочувствительная аппаратура, благодаря которой омега-мезоны наблюдались в столкновениях пи-мезонов с протонами при энергии несколько миллиардов электрон-вольт. Эксперименты велись в пузырьковой камере, в которой следы заряженных частиц проявляются в виде образующейся после их прохождения цепочки пузырьков. В рабочее вещество пузырьковой камеры был введен ксенон, позволивший эффективно регистрировать такие незаряженные частицы, как гамма-кванты, рождающие заряженные частицы.

Во время экспериментов было сделано свыше 100 тыс. фотографий, фиксирующих различные взаимодействия элементарных частиц. Была разработана и применена новая оригинальная методика определения массы частицы. В результате исследований доктора физико-математических наук А. Г. Мешковский и В. А. Шебанов, кандидаты физико-математических наук В. В. Бармин, А. Г. Долголенко и Ю. П. Никитин и научный сотрудник института Ю. С. Крестников открыли ранее неизвестное явление распада омега-мезона на нейтральный пи-мезон и гамма-квант. Им удалось установить, что этот распад является основным среди распадов омега-мезона на незаряженные частицы. Полученные авторами открытия результаты через три года были подтверждены учеными США, Франции и других стран.

Обнаружение явления двухчастичного распада омега-мезона с переходом между векторным мезоном и электромагнитным полем очень важно для развития теории элементарных частиц.

Описанное открытие внесено в Государственный реестр открытий СССР под № 120 с приоритетом от 3 июля 1963 г. Формула открытия такова:

"Экспериментально установлено неизвестное ранее явление распада омега-мезона на две частицы: нейтральный пи-мезон и гамма-квант, обусловленное электромагнитным взаимодействием элементарных частиц".

Явление резонансного поглощения отрицательных мюонов атомными ядрами

Доктор физико-математических наук, профессор В. В. Балашов и кандидат физико-математических наук Н. М. Кабачник (Научно-исследовательский институт ядерной физики МГУ), доктор физико-математических наук В. Б. Беляев, кандидаты физико-математических наук И. Войтковска (ПНР), В. С. Евсеев, Т. Козловски (ПНР), Р. А. Эрамжян и научный сотрудник В. С. Роганов (Объединенный институт ядерных исследований) открыли явление резонансного поглощения отрицательных мюонов атомными ядрами.

Долгое время считалось, что поглощение мю-минус-мезона ядром осуществляется благодаря его взаимодействию с одним из протонов ядра, а все остальные нуклоны ядра - протоны и нейтроны - выступают лишь в качестве внешней среды, в которой происходит элементарный акт превращения пары протон - мюон в пару нейтрон - нейтрино. В 1963 г. группа теоретиков Научно-исследовательского института ядерной физики МГУ и лаборатории теоретической физики Объединенного института ядерных исследований, руководимая профессором МГУ В. В. Балашовым, выдвинула принципиально иную модель этого процесса, в основу которой была положена идея о том, что поглощение ядром имеет многочастичный коллективный характер. Разработана математическая теория явления и указаны направления его экспериментального изучения.

Согласно предложенной теории в процессе поглощения мюона ядро переходит в высоковозбужденное (резонансное) состояние, которому отвечает специфическое упорядоченное движение ядерного вещества. При распаде таких состояний из ядер вылетают нейтроны, часто сопровождаемые заряженными частицами. Таким образом, спектр нейтронов при захвате ядром мю-минус-мезонов должен состоять из отдельных линий, соответствующих переходам из резонансных состояний в конечное состояние ядра, образующегося после испускания нейтрона. Линейчатый "характер энергетического спектра нейтронов был предсказанием, которое позволило осуществить непосредственную экспериментальную проверку модели.

Эксперименты были выполнены интернациональной группой физиков под руководством В. С. Евсеева. Была разработана уникальная установка, сердцем которой стал специально сконструированный прецизионный спектрометр нейтронов. Установка позволила в условиях стабильности работы - ее элементов провести длительные измерения на пучках синхроциклотрона . Линейчатая структура нейтронных спектров была обнаружена в 1968-1969 гг. при исследовании поглощения отрицательных мюонов в легких и средних по массе атомных ядрах (серы, кальция и кислорода). Достоверность открытия была подтверждена результатами работ американских и западноевропейских физиков.

Открытие явления резонансного поглощения отрицательных мюонов атомными ядрами оказало важное воздействие на развитие новой области исследований - ме-зонной ядерной физики. Оно способствовало разработке принципиально новых экспериментальных методов и подходов, которые широко внедряются в практику научных исследований в этой области. Теория коллективного возбуждения ядер в процессе поглощения мюонов послужила основой современной теории широкого класса мезоядерных процессов. Возбуждение в ядрах специфических коллективных движений под действием элементарных частиц оказалось универсальным свойством ядерного вещества.

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).

Явление образования мюонного свободного атома

Сотрудники Московского инженерно-физического института профессор В. Г. Кириллов-Угрюмов, профессор Б. А. Долгошеий, кандидаты физико-математических наук Ю. П. Добрецов и В. Г. Варламов, проводя эксперименты на синхроциклотроне в Дубне, открыли неизвестное ранее явление образования свободного мюошюго атома.

Свободный мюонный атом, или мюнуклокный атом, - это атом, у которого вблизи ядра находится отрицательная частица - мюон. Авторы экспериментально доказали, что конфигурацией электронной оболочки свободный мюонный атом отвечает атому с зарядом ядра, на единицу меньше исходного. Показано, например, что мюонный атом, содержащий атомное ядро неона, обладает химическими свойствами фтора.

Регистрация акта распада мюона позволяет следить за судьбой одиночного меченого атома и вещества во времени. Это дает в руки исследователей новый мощный инструмент изучения быстропротекающих процессов взаимодействия свободного мюонного атома с окружающими атомами и молекулами среды. Благодаря этому значительно обогатились возможности, связанные с химией и физикой новых атомов: кроме известных типов водородоподобных атомов - мюония и позитрония - появилась возможность изучения свободных мюонных атомов, которые в принципе могут быть аналогами любого атома таблицы элементов Д. И. Менделеева. Кинетика химических реакций, физика конденсированного вещества, атомная спектроскопия - вот неполный перечень возможных приложений данного открытия.

Открытие зарегистрировано под № 189 с приоритетом от 7 сентября 1971 г. в следующей формулировке:

"Установлено неизвестное ранее явление образования мюонного свободного атома, обусловленное заполнением электронной оболочки мезоатома при атомном захвате отрицательно заряженного мюона на мюонную К-орбиту".