Автор работы: Пользователь скрыл имя, 12 Марта 2012 в 14:22, доклад
Всем хорошо известны традиционные методы исследования вещества: ядерный, магнитный и электронный парамагнитный резонанс (ЯМР и ЭПР), нейтронография и мёссбауэровская спектроскопия, но что представляет собой мюонный метод исследования вещества, или mSR-метод, известно гораздо меньшему кругу людей, даже профессионально занимающихся наукой. А между тем мюонный метод уже перешел в зрелый возраст
Всем хорошо известны традиционные методы исследования вещества: ядерный, магнитный и электронный парамагнитный резонанс (ЯМР и ЭПР), нейтронография и мёссбауэровская спектроскопия, но что представляет собой мюонный метод исследования вещества, или mSR-метод, известно гораздо меньшему кругу людей, даже профессионально занимающихся наукой. А между тем мюонный метод уже перешел в зрелый возраст (опубликовано более тысячи работ) и дал много новой и ценной информации о свойствах вещества. Причем многие результаты либо вообще нельзя получить другими методами, либо mSR позволяет получить более точные данные.
Суть мюонного метода заключается в возможности изучения локальных микрополей в веществе с помощью легкой нестабильной заряженной элементарной частицы - мюона (как положительного, так и отрицательного). Для изучения свойств материи наиболее перспективны положительные мюоны. Поскольку мюоны - нестабильные частицы, их получают на ускорителях, поэтому метод не только относительно дорог, но и доступен лишь при наличии специальных ускорителей. В настоящее время во всем мире насчитывается всего шесть исследовательских центров: PSI в Швейцарии, TRIUMF в Канаде, KEK в Японии, ISIS в Великобритании и два центра - ОИЯИ (Дубна, Московская обл.) и ПИЯФ РАН (Гатчина, Ленинградская обл.) - в России. Кроме того, завершается строительство крупного центра в ИЯИ РАН (Троицк, Московская обл.).
Возможно, такая незаслуженно малая известность мюонного метода обусловлена его относительной дороговизной и малым количеством исследовательских центров. Однако в этих центрах работает не так уж мало экспериментальных групп из всех развитых стран.
Итак, основной и, пожалуй, единственный минус mSR-метода - его стоимость. Но взамен мы получаем мощный инструмент для изучения самого широкого диапазона свойств вещества как в газовой фазе, так и в конденсированном состоянии - от измерения скоростей химических реакций до расшифровки магнитной структуры сверхпроводников второго рода (в частности, ВТСП), исследования технологических свойств трансформаторных сталей, фазовых переходов второго рода, свойств электролитов и т.д.
Мюонный метод исследования вещества (µSR-метод) берет свое начало еще с работы Т. Ли и Ч. Янга, где впервые рассматривался вопрос о несохранении пространственно
экспериментальными доказательствами справедливости нарушения закона чётности в слабых взаимодействиях.
Но в 1957 году Р.Л. Гарвин, Л.М. Ледерман и Г. Вейнрих и Дж.И. Фридман, В.Л. Телегди, которые открылинесохранение четности в π→μ→e распаде, вряд ли могли предположить, что этот фундаментальный результат в физике элементарных частиц положит начало новому методу изучения свойств вещества − µSR-методу.
Качественное объяснение экспериментов было дано и в представлении о нейтрино, как частицы, спин которойколлинеарен с её импульсом, что является следствием теории двухкомпонентного нейтрино, предложенной Л.Д. Ландау, Т. Ли и Ч. Янгом. В этой теории нейтрино описывается двухкомпонентными волновыми функциями, т.е. является частицей, направление спина которой противоположно (или совпадает для антинейтрино) с направлением её импульса. Экспериментальное обнаружение резкой асимметрии в распределение позитронов µ→е распада и послужило фундаментом для создания нового ядерно-физического метода исследования свойств мюона и мюония (лёгкого аналога атома водорода – связанной системы µ+е– ≡Mu) и способов их взаимодействия в веществе µSR (MuSR)-спектроскопии. µSR-метод по физической сути, возможностям и перспективам сравним с методом ядерного магнитного резонанса (ЯМР), а соответственно, MuSR-метод с методом электронного парамагнитного резонанса (ЭПР).
Идея метода проста: в силу несохранения чётности угловое распределение позитронов распада покоящегося мюона асимметрично относительно направления спина. Реакция распада мюона имеет единственный канал.
Среднее время жизни покоящегося мюона примерно 2,2·мкс. В эксперименте анализируется поляризация ансамбля мюонов, образовавшихся при распаде π+-мезонов и остановившихся в исследуемом образце (при этом в принципе можно добиться практически стопроцентной начальной поляризации мюонов). В среде поляризация мюонов изменяется со временем. По распределению позитронов можно определить направление поляризации мюона в момент распада. Таким образом, поляризованный мюон в веществе – это своеобразный магнитный зонд, позволяющий исследовать внутренние локальные магнитные поля, а также их распределение. В экспериментах измеряют частоту прецессии спинов мюона Fµ или мюония FMu и скорости их деполяризации λ. Эти параметры содержат богатую информацию о широком спектре физико-химических свойств материала. По своей природе эта информация во многом близка к той, что получают с помощью методов ЭПР и ЯМР, однако она зачастую совершенно специфична.
1. ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА МЮОНОВ
Положительные (m+) и отрицательные (m-) мюоны, так же как и электроны, относятся к лептонам. Они обладают собственным моментом - спином s = 1/2 и магнитным моментом
Здесь e = ? 4,8 " 10-10 ед. CGSE - элементарный заряд (с учетом знака), " = 1,05 " 10- 27 эрг " с - постоянная Планка, m - масса мюона, с - скорость света и a ї 1/137 - постоянная тонкой структуры. Как видим, магнитный момент мюона превышает мюонный магнетон | e | " /(2mmc) на величину порядка 10- 3 и практически во всех прикладных экспериментах (но отнюдь не всегда) можно пренебрегать этим отличием.
Мюон - нестабильная частица, распад которой определяется слабым взаимодействием, поэтому время жизни относительно велико и составляет t ї 2,2 " 10- 6 с. Столь большое время жизни и обусловило широкое применение мюонов для исследования свойств вещества. Но в 1957 году, когда Р.Л. Гарвин, Л.М. Ледерман и Г. Вейнрих и независимо Дж.И. Фридман и В.Л. Телегди открыли несохранение четности в p m e распаде, они вряд ли могли предположить, что этот фундаментальный результат в физике элементарных частиц положит начало новому методу изучения свойств вещества.На первых порах появилась масса работ, посвященных исследованию этой фундаментальной проблемы. При этом приходилось изучать распад мюонов, остановившихся в какой-либо мишени. Результаты, однако, существенно зависели от типа мишени, что сначала воспринималось как неизбежная и досадная помеха при постановке чистого эксперимента. Поэтому волей-неволей приходилось разбираться в закономерностях взаимодействия мюонов с веществом мишени. Таким образом, можно сказать, что мюонный метод появился на свет как побочный ребенок фундаментальных исследований и, как это часто бывает, был нежелательным до тех пор, пока не стало ясно, что наука получила совершенно новый инструмент для исследования свойств вещества.
2. КОЕ-ЧТО О СПИНЕ ЧАСТИЦЫ
Мюоны обладают магнитным моментом и спином. Поскольку именно эти качества мюонов определяют возможности мюонного метода, следует сказать несколько слов, поясняющих суть указанных физических характеристик.
Почти все элементарные частицы (протоны, нейтроны, электроны и наши мюоны) наделены собственным моментом количества движения - спином. У всех перечисленных частиц собственный момент S = " /2. Как видно, величина собственного момента равна половине кванта момента (напомним, что размерность постоянной Планка совпадает с размерностью момента количества движения). Если у частицы есть спин, ему обязательно сопутствует магнитный момент m.
Магнитный момент есть, в частности, и у нейтральной частицы - нейтрона. Мы говорим, что вектор магнитного момента положителен (отрицателен), если он направлен параллельно (антипараллельно) вектору спина.
Различные частицы имеют различные значения спина: он может быть равен и целым значениям и полуцелым, однако всегда он принимает только целые и полуцелые значения.
Важнейшее свойство спина состоит в том, что он имеет существенно квантовую природу, он не может принимать различные значения для одной и той же частицы. Спин - такая же постоянная характеристика частицы, как заряд или масса. У него нет классического аналога, и представить спин в рамках нашей привычной классической интуиции невозможно. В частности, нельзя связать со спином какое-либо реальное вращение в реальном пространстве.
1. Спин - внутренний момент количества движения частицы, присущий большинству элементарных частиц.
2. Никакой классической аналогии для спина не существует, и с этим надо примириться .
3. Для каждой элементарной частицы спин выдан навечно. Иначе говоря, спин - постоянное свойство частицы.
4. Если проекция орбитального момента количества движения частицы Lz может принимать любые значения, кратные постоянной Планка: Lz = = N", то абсолютная величина спина постоянна.
5. Спин может принимать значения, равные как целому, так и полуцелому числу постоянной Планка ".
6. Частицы с полуцелым спином (фермионы) и целым спином (бозоны) резко отличаются своими свойствами. Это приводит, в частности, к многим удивительным макроскопическим эффектам (сверхтекучесть, сверхпроводимость и др.), но об этом мы умолчим.
7. Средний вектор спина так же, как и средний орбитальный момент количества движения, можно описывать классическими уравнениями. Далее, рассматривая, например, прецессию спина в магнитном поле, мы всегда будем иметь в виду средние.
3. СХЕМА РАСПАДА МЮОНА.
ПОЛЯРИЗАЦИЯ СПИНА
Рассмотрим принципиальную сторону мюонного метода. Несохранение четности в слабых взаимодействиях позволяет измерить направление спина (магнитного момента) в момент распада, поскольку диаграмма направленности (вероятности) распада оказывается несимметричной (рис. 1). Будем рассматривать здесь только положительные мюоны, которые распадаются по схеме
Здесь e+ - позитрон, ne - электронное нейтрино и - мюонное антинейтрино.
Для понимания мюонного метода достаточно принять как данный свыше факт: диаграмма распада несимметрична. Просто поверим: открытие несохранения четности для слабых взаимодействий было одним из самых замечательных достижений фундаментальной физики за последние полстолетия.
В обычных мюонных экспериментах оба нейтрино не фиксируются, и измеряется только полное число позитронов распада, зафиксированных в данном счетчике, ориентированном определенным образом. Из теории слабых взаимодействий следует, что вероятность зарегистрировать позитрон распада зависит от угла между направлением его вылета и направлением спина мюона. При этом полная асимметрия углового распределения позитронов при распаде положительного мюона определяется формулой
Здесь W(q)Dq - вероятность позитронам попасть в элемент углов от q до q + Dq, q - угол между направлением импульса позитрона и спином мюона.
Итак, при распаде m+ позитроны вылетают преимущественно в направлении спина мюона и диаграмма направленности имеет вид, показанный на рис. 1. На первый взгляд из формулы (3) никак не следует возможность изучения каких-либо свойств вещества, однако следует учесть, что она написана для одного свободного мюона. На самом деле все эксперименты проводятся для ансамбля мюонов, взаимодействующих с веществом мишени. Чем же отличается картина для ансамбля от описанной выше?
Рассмотрим поток частиц со спином 1/2. Поскольку спин есть собственный момент количества движения, ему соответствует наблюдаемая величина - средний вектор спина, который ведет себя как классическая величина. Если в потоке частиц все векторы спинов частиц направлены строго в одну сторону (параллельны), говорят, что пучок частиц полностью (стопроцентно) поляризован.
Для характеристики такого состояния частиц в пучке вводят вектор поляризации P - удвоенный средний вектор спина ансамбля частиц пучка, по модулю равный 1: | P | = 1.
Пусть теперь векторы спинов отдельных частиц в пучке направлены совершенно беспорядочно (иными словами, векторы спинов направлены равновероятно во всех направлениях). В этом случае говорят, что пучок (ансамбль) полностью неполяризован и | P | = 0. Когда есть преимущественное направление для векторов спинов пучка, но они не все направлены в одну сторону, говорят, что пучок частично поляризован и | P | < 1. Таким образом, введенный вектор поляризации пропорционален среднему значению вектора спина частиц в ансамбле. Согласно определению,
P = 2бsс.
Вектор P измеряется в единицах " и почти во всем ведет себя как обычный классический вектор. Однако честно признаемся, хотя интуитивно вектор поляризации легко себе представить, точное определение этого понятия требует достаточно тонкого квантово-механического анализа, и в данной статье провести его мы не сможем.
Итак, мы вынуждены апеллировать к чувствам читателей и далее вектором P(t) будем считать поляризацию отдельного мюона, остановившегося в мишени.
Для ансамбля распадающихся мюонов формула (3) изменит свой вид: вектор спина отдельной частицы следует заменить поляризацией ансамбля и cos q на | P | cos q:
Итак, появляется возможность определять поляризацию спина ансамбля мюонов в момент распада по угловому распределению позитронов распада. Величина и направление поляризации спина для мюона, остановившегося в мишени, изменяются во времени и определяются взаимодействиями магнитного момента мюона в мишени с магнитными полями в точке, где находится мюон. Это очень важный пункт. Поляризация ансамбля мюонов в какой-то момент времени P(t) ? P(0) - начальной поляризации пучка мюонов. Эта формула и дает принципиальную основу для мюонного метода изучения вещества. Прежде чем перейти к анализу возможностей метода, заметим, что для получения максимальной асимметрии распределения необходимо получить пучок полностью поляризованных мюонов. Но это отдельная задача ускорительной техники.
4. КАК ПОЛУЧАЮТ ПУЧКИ
ПОЛЯРИЗОВАННЫХ МЮОНОВ
Итак, для применения mSR-метода необходим ансамбль поляризованных положительных мюонов. Пучок поляризованных мюонов получают в результате бомбардировки частицами (как правило, протонами) так называемой мезонообразующей мишени на ускорителе. При взаимодействии протонов с ядрами рождаются отрицательные и положительные p-мезоны, масса которых равна примерно 140 МэВ. Поэтому для их рождения обычно используют пучки с энергией Ep $ 0,5 ГэВ. В канале ускорителя после сепарации пучка в итоге получают пучок релятивистских p-мезонов, которые затем распадаются. Мода распада положительного p-мезона