Бета-распад нейтрона

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти 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 880,1 ± 1,1 секунды[1] (что соответствует периоду полураспада 611 ± 0,8 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 19481950 независимо А. Снеллом, Дж. Робсоном и П. Е. Спиваком.

Редкие каналы распада[править | править код]

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 %).

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

Однако из экспериментов известно лишь, что вероятность такого распада меньше 3 % (парциальное время жизни по этому каналу превышает 3⋅104 с)[4]. Теоретически ожидаемая вероятность распада в связанное состояние по отношению к полной вероятности распада равна 3,92⋅10−6[5]. 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[6]. При распаде в атом водорода почти вся энергия распада, 782,33305 кэВ (за исключением очень малой кинетической энергии атома отдачи) уносится электронным антинейтрино.

См. также[править | править код]

Примечания[править | править код]

  1. J. Beringer et al. (Particle Data Group), Phys. Rev. D86, 010001 (2012) http://pdg.lbl.gov/2012/tables/rpp2012-sum-baryons.pdf
  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. — 14 June (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. 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.
  5. 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. — 9 September (vol. 80, no. 3). — P. 035503. — ISSN 0556-2813. — DOI:10.1103/PhysRevC.80.035503. — arXiv:0906.0959. [исправить]
  6. 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.

Литература[править | править код]