Элементарные частицы: 6. Повышенная жизнеспособность на околосветовых скоростях

Атмосферные мюоны долетают до Земли благодаря тому, что время их жизни увеличивается при околосветовых скоростях. Изображение с сайта proj-cngs.web.cern.ch

Метастабильные частицы большой энергии способны пролетать макроскопические расстояния — многие метры и даже километры. Особенно сильно им в этом помогает одно из главных явлений в теории относительности — замедление времени при приближении к скорости света. Какой-то процесс (например, тиканье «внутренних часов») может происходить быстро, но если он происходит внутри объекта, который проносится мимо нас с околосветовой скоростью, то по нашим часам этот процесс резко замедляется.

Хоть это и не было сказано явно, но все времена жизни частиц, которые мы перечисляли раньше, относятся к неподвижным или медленно движущимся частицам. Для частиц высокой энергии это время жизни может возрастать на порядки. Например, высоко в атмосфере Земли в столкновениях космических лучей с молекулами атмосферных газов в больших количествах рождаются мюоны. Сам по себе мюон живет 2 микросекунды. Если он летит со скоростью 1/10 скорости света, он успеет пролететь всего лишь 60 метров и не достигнет Земли. Однако когда энергия мюона очень велика, например, в 100 раз больше его энергии покоя, его кажущееся время жизни возрастает в сто раз. Тогда он без проблем пролетает десятки километров до распада, а значит, может достигнуть поверхности Земли.

Среднее время жизни и дистанция, которую пролетает мюон до распада, в зависимости от его скорости. Изображение с сайта hyperphysics.phy-astr.gsu.edu

Замедление времени частиц при околосветовых скоростях — это не просто забавная игрушка, а физическое явление, которое физики могут использовать себе во благо. Например, есть ускорители, в которых по круговой орбите летают не электроны или протоны, а всё те же мюоны. По человеческим масштабам 2 микросекунды — это ничто, но благодаря современной технике физики умудряются за это время создать мюоны, подхватить их электрическим полем и ускорить до больших энергий. Это резко удлиняет их время жизни внутри ускорителя и позволяет провести множество точных измерений.

Пожалуй, самый экстремальный пример замедления времени при околосветовом движении разобран в нашей задаче Время жизни фотона. Если вы хотите проверить, насколько уверенно вы ориентируетесь в этом вопросе, попробуйте решить эту задачу!