Русская Википедия:Бета-распад нейтрона
Бе́та-распа́д нейтро́на — спонтанное превращение свободного нейтрона в протон с излучением β-частицы (электрона) и электронного антинейтрино:
- <math>{}_0^1 n \to {}_1^1 p + e^ -+\bar{\nu}_e.</math>
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 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:
- <math>{}_0^1 n \to {}_1^1 p + e^ -+\bar{\nu}_e + \gamma.</math>
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 Шаблон:Math−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 Шаблон:Math > 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 Шаблон:Math > 14 кэВ и (0,582 ± 0,023stat ± 0,062syst) % при 0,4 кэВ < Шаблон:Math < 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 <math>({}_1^1 p + e^ - = {}^1\mathrm{H}):</math>
- <math>{}_0^1 n \to {}^1\mathrm{H} +\bar{\nu}_e.</math>
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 3Шаблон:E с)[6]. Теоретически ожидаемая вероятность распада в связанное состояние по отношению к полной вероятности распада равна 3,92Шаблон:E[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 Шаблон:Math, то для проекций Шаблон:Math спинов четырёх участвующих в распаде фермионов (начального нейтрона и образующихся протона, электрона и антинейтрино) возможны шесть конфигураций[10]:
- Шаблон:Math: (↓↓↑↓), (↓↑↓↓), (↑↑↑↓), (↓↓↓↑), (↑↑↓↑), (↑↓↑↑),
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 [[Слабое взаимодействие#Универсальная V-A теория|Шаблон:Math 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
Литература
- Шаблон:Книга
- Шаблон:Статья
- Шаблон:Статья
- Бета-распад нейтрона (статья в «Физической энциклопедии»).
- Компиляция свойств нейтрона Particle Data Group
- ↑ 1,0 1,1 1,2 [Neutron properties.] In: Workman R. L. et al. (Particle Data Group), Prog. Theor. Exp. Phys. 2022, 083C01 (2022) and 2023 update.
- ↑ 2,0 2,1 Шаблон:Cite doi
- ↑ Шаблон:Cite doi
- ↑ Шаблон:Статья Шаблон:Free access
- ↑ Шаблон:Cite doi
- ↑ Шаблон:Статья
- ↑ Шаблон:Cite doi
- ↑ Шаблон:Статья
- ↑ Шаблон:Cite arXiv
- ↑ 10,0 10,1 10,2 Шаблон:Cite doi
