Наблюдение среднего времени жизни нестабильных релятивистских частиц

Эти наблюдательные данные недвусмысленно говорят в пользу теории относительности. Действительно, в двадцатом веке ученые обнаружили, что помимо стабильных частиц, таких как электрон, позитрон, протон, фотон, мир наполнен частицами, живущими миллионные и миллиардные доли секунды. Вопреки обыденному опыту, такие времена в физике частиц считаются достаточно большими. Действительно, за время  частица может успеть пролететь расстояние , т.е. вполне ощутимое расстояние. Здесь  — скорость света в вакууме — предельная скорость движения материальных частиц. Оказывается однако, что частицы с характерным временем распада  успевают пролететь гораздо большее расстояние, пока не распадутся на более легкие. С точки зрения теории относительности это связано с замедлением времени в системе отсчета, связанной с движущейся частицей. Получается, что в этой, сопутствующей, системе отсчета частица распадается за привычное характерное время , по часам же наблюдателя проходит большее время

Здесь  — скорость частицы,  — ее масса покоя,  — энергия (кинетическая + энергия покоя). Таким образом, явление замедления распада должно наблюдаться для релятивистских частиц с .

Одними из первых частиц, для которых наблюдалось подобное явление, были мюоны  в верхних слоях атмосферы. Эти частицы похожи на электроны и позитроны, но имеют большие массы:

Мюон был открыт в 1936 году Карлом Дэвидом Андерсоном (1905–1991), открывшим также позитрон и удостоенным Нобелевской премии по физике в 1936 году. По отклонению космических лучей в магнитном поле он заметил, в их составе есть частицы, обладающие отношением заряда к массе, промежуточным между электроном и протоном. Действительно, масса протона , а электрона —. Мюоны активно образовывались в столкновениях высокоэнергетических частиц космических лучах с молекулами в верхних слоях атмосферы и распадались за времена порядка нескольких микросекунд, поэтому не могли исходить из существенно неземных источников. Именно на изучении течения этого распада и был основан эксперимент, поставленный Бруно Росси и Холлом в 1941 году. С помощью сцинтиллятора они сравнили поток мюонов на высоте 1900 м и на уровне моря и таким образом определили, сколько их не успело долететь до Земли. Отсюда получалась предполагаемая скорость мюонов, которая в отсутствие релятивистского рассмотрения оказывалась больше скорости света.

Сцинтилляционный детектор (сцинтиллятор) — это детектор ионизирующего излучения, в котором активное вещество, поглощающее ионизирующее излучение, переизлучает его энергию в виде фотонов, которые далее регистрируются фотоумножителем. Регистрация мюона имеет характерную «роспись»: сначала регистрируется сам мюон, а затем — высокоэнергетический электрон, образовавшийся в результате его распада уже внутри детектора:

Таким образом, мюон распадается на электрон, нейтрино и антинейтрино. Время между регистрацией мюона и продуктов его распада составляет не более 2–3 микросекунд — но, что крайне важно, в данном случае наблюдается распад нерелятивистского мюона, заторможенного в веществе сцинтиллятора. Среднее время распада такого мюона равняется

В то же время мюоны космических лучей, летя сквозь атмосферу, распадаются, при движении со скоростью, близкой к скорости света, поэтому среднее время их распада должно быть большим для наблюдателя, стоящего на Земле. Именно это и наблюдалось в эксперименте Росси–Холла: на высоте 1900м детектор регистрировал 568 мюонов в час, а на уровне моря — 412 мюонов в час. Если распад мюонов считать равномерным (а так и должно быть, поскольку последние почти не взаимодействуют с атмосферой), то должен быть справедлив основной закон распада:

где, как и обозначалось ранее,  — среднее время распада движущегося мюона. Теперь если мюоны летят со скоростью , они должны преодолеть расстояние между двумя детекторами за время . Стало быть, отношение потоков мюонов должно равняться

откуда мы получаем:

Если предположить, что , то имеем скорость , что почти в 9 раз превышает скорость света в вакууме. Если же использовать релятивистскую формулу для замедления времени, отношение потоков принимает вид:

и скорость мюонов вычисляется по формуле:

Конечно, последний результат не является доказательством релятивистского характера замедления времени — он всего лишь говорит, что парадокс глубокого проникновения мюонов в атмосферу успешно разрешается с помощью специальной теории относительности. На примере этого явления последняя демонстрирует свою мощь и изящество. И, конечно же, чтобы избежать ощущения искусственности замедления времени, сразу скажем, что оно измерялось напрямую с помощью точнейших атомных часов, и результаты подтвердили предсказания теории относительности.

<<К предыдущему эксперименту  |  Специальная теория относительности  |  К следующему эксперименту>>