Бета-распад нейтрона

Перейти к навигацииПерейти к поиску
Диаграмма Фейнмана для бета-распада нейтрона на протон, электрон и электронное антинейтрино при участии виртуального тяжёлого W-бозона

Бе́та-распа́д нейтро́на — спонтанное превращение свободного нейтрона в протон с излучением β-частицы (электрона) и электронного антинейтрино:

Спектр кинетической энергии излучаемого электрона лежит в диапазоне от 0 до 782,318 кэВ. Время жизни свободного нейтрона составляет 878,4 ± 0,5 секунды[1] (что соответствует периоду полураспада 608,9 ± 0,3 с). Прецизионные измерения параметров бета-распада нейтрона (время жизни, угловые корреляции между импульсами частиц и спином нейтрона) имеют важное значение для определения свойств слабого взаимодействия.

Бета-распад нейтрона был предсказан Фредериком Жолио-Кюри в 1934 и открыт в 1948—1950 гг. независимо А. Снеллом, Дж. Робсоном и П. Е. Спиваком.

Редкие каналы распада

Радиативный бета-распад нейтрона

Кроме распада нейтрона с образованием протона, электрона и электронного антинейтрино, должен происходить также более редкий процесс с излучением дополнительного гамма-кванта — радиативный (то есть сопровождающийся электромагнитным излучением) бета-распад нейтрона:

Теория предсказывает, что спектр гамма-квантов, излучающихся при радиативном распаде нейтрона, должен лежать в диапазоне от 0 до 782 кэВ и зависеть от энергии (в первом приближении) как E−1. С физической точки зрения, этот процесс представляет собой тормозное излучение образующегося электрона (и в меньшей степени — протона)[2].

В 2005 году этот ранее предсказанный процесс был обнаружен экспериментально[3]. Измерения в этой работе показали, что радиативный канал распада реализуется с вероятностью 0,32 ± 0,16 % при энергии гамма-кванта Eγ > 35 кэВ. Этот результат впоследствии был подтверждён и значительно уточнён рядом других экспериментальных групп; в частности, коллаборация RDK II установила[2], что вероятность распада с вылетом гамма-кванта составляет (0,335 ± 0,005stat ± 0,015syst) % при Eγ > 14 кэВ и (0,582 ± 0,023stat ± 0,062syst) % при 0,4 кэВ < Eγ < 14 кэВ. Это совпадает в пределах ошибок с теоретическими предсказаниями (соответственно 0,308 % и 0,515 %). Общая вероятность радиативного распада (с энергией гамма-кванта от 0,4 до 782 кэВ) равна 0,92 ± 0,07 %[1].

Бета-распад нейтрона в связанное состояние

Должен существовать также канал распада свободного нейтрона в связанное состояние — атом водорода

Этот канал был предсказан в 1947 году[4], однако до сих пор не наблюдался: из экспериментов известно лишь, что вероятность такого распада меньше 0,27 %[1][5] (парциальное время жизни по этому каналу превышает 3⋅104 с)[6]. Теоретически ожидаемая вероятность распада в связанное состояние по отношению к полной вероятности распада равна 3,92⋅10−6[7]. Связанный электрон для выполнения закона сохранения углового момента должен возникать в S-состоянии (с нулевым орбитальным моментом), в том числе с вероятностью ≈84 % — в основном состоянии, и 16 % — в одном из возбуждённых S-состояний атома водорода[8]. При распаде в атом водорода почти вся энергия распада, равная 782,33305 кэВ (за исключением очень малой кинетической энергии атома отдачи, 325,7 эВ[9], и, в случае распада в возбуждённое атомное состояние, энергии возбуждения, не превышающей 13,6 эВ) уносится электронным антинейтрино, причём спиновое состояние образовавшегося атома водорода связано со спиральностью испускаемого антинейтрино. Если принять направление импульса атома водорода в системе центра масс за положительное направление оси z, то для проекций sz спинов четырёх участвующих в распаде фермионов (начального нейтрона и образующихся протона, электрона и антинейтрино) возможны шесть конфигураций[10]:

(n, p, e−, νe): (↓↓↑↓), (↓↑↓↓), (↑↑↑↓), (↓↓↓↑), (↑↑↓↑), (↑↓↑↑),

причём первые три разрешены, а последние три запрещены Стандартной Моделью, поскольку спиральность антинейтрино в этих случаях была бы правой; вероятности образования конфигураций 1, 2 и 3 зависят от скалярной, векторной, аксиальной и тензорной констант связи слабого взаимодействия (в стандартной V − A теории скалярная и тензорная константы равны нулю, экспериментально установлены лишь верхние ограничения на них)[10]. Таким образом, измерения относительных вероятностей различных спиновых каналов бета-распада нейтрона в связанное состояние может дать информацию о физике за рамками Стандартной Модели (наличие правых токов, скалярной и тензорной констант связи в слабом взаимодействии)[10].

См. также

Примечания

  1. ↑ 1 2 3 [Neutron properties.] Архивная копия от 10 июня 2023 на Wayback Machine In: Workman R. L. et al. (Particle Data Group), Prog. Theor. Exp. Phys. 2022, 083C01 (2022) and 2023 update.
  2. ↑ 1 2 Bales M. J. et al. (RDK II Collaboration). Precision Measurement of the Radiative β Decay of the Free Neutron (англ.) // Physical Review Letters. — 2016. — Vol. 116, no. 24. — P. 242501. — ISSN 0031-9007. — doi:10.1103/PhysRevLett.116.242501. — arXiv:1603.00243. [исправить]
  3. ↑ Khafizov R. U., Severijns N., Zimmer O., Wirth H.-F., Rich D., Tolokonnikov S. V., Solovei V. A., Kolhidashvili M. R. Observation of the neutron radioactive decay // Journal of Experimental and Theoretical Physics Letters. — 2006. — Vol. 83. — P. 366. — ISSN 0021-3640. — doi:10.1134/S0021364006080145. — arXiv:nucl-ex/0512001. [исправить]
  4. ↑ Daudel R., Jean M., Lecoin M. Sur la possibilité d’existence d’un type particulier de radioactivité phénomène de création e (фр.) // J. Phys. Radium. — 1947. — Vol. 8, livr. 8. — P. 238—243. — doi:10.1051/jphysrad:0194700808023800. Архивировано 6 октября 2022 года. Открытый доступ
  5. ↑ Czarnecki A., Marciano W. J., Sirlin A. Neutron Lifetime and Axial Coupling Connection (англ.) // Physical Review Letters. — 2018. — Vol. 120, no. 20. — ISSN 0031-9007. — doi:10.1103/PhysRevLett.120.202002. [исправить]
  6. ↑ Green K., Thompson D. The decay of the neutron to a hydrogen atom // Journal of Physics G: Nuclear and Particle Physics. — 1990. — Т. 16, вып. 4. — С. L75—L76. — doi:10.1088/0954-3899/16/4/001.
  7. ↑ Faber M., Ivanov A. N., Ivanova V. A., Marton J., Pitschmann M., Serebrov A. P., Troitskaya N. I., Wellenzohn M. Continuum-state and bound-state β−-decay rates of the neutron (англ.) // Physical Review C. — 2009. — Vol. 80, no. 3. — P. 035503. — ISSN 0556-2813. — doi:10.1103/PhysRevC.80.035503. — arXiv:0906.0959. [исправить]
  8. ↑ Dubbers D., Schmidt M. G. The neutron and its role in cosmology and particle physics (англ.) // Reviews of Modern Physics. — 2011. — Vol. 83. — P. 1111—1171. — doi:10.1103/RevModPhys.83.1111. — arXiv:1105.3694. Архивировано 24 июля 2020 года.
  9. ↑ Zhang Shuo, Wang Song-Lin, Zhou Jian-Rong, Wu Wen-Tao, Xia Jing-Kai, Zhang Rui-Tian, Zhang Le (2022). "Proposal for Measurement of the Two-body Neutron Decay using Microcalorimeter". arXiv:2210.02314 [hep-ex].{{cite arXiv}}: Википедия:Обслуживание CS1 (множественные имена: authors list) (ссылка)
  10. ↑ 1 2 3 McAndrew J. et al. Bound Beta-decay of the Free Neutron: BoB (англ.) // Physics Procedia. — 2014. — Vol. 51. — P. 37—40. — ISSN 1875-3892. — doi:10.1016/j.phpro.2013.12.009. [исправить]

Литература