Бета-распад нейтрона

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

${\displaystyle {}_{0}^{1}n\to {}_{1}^{1}p+e^{-}+{\bar {\nu }}_{e}.}$

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

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:

${\displaystyle {}_{0}^{1}n\to {}_{1}^{1}p+e^{-}+{\bar {\nu }}_{e}+\gamma .}$

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 E_γ > 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 ± 0,005^stat ± 0,015^syst) % при E_γ > 14 кэВ и (0,582 ± 0,023^stat ± 0,062^syst) % при 0,4 кэВ < E_γ < 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 ${\displaystyle ({}_{1}^{1}p+e^{-}={}^{1}\mathrm {H} ):}$

${\displaystyle {}_{0}^{1}n\to {}^{1}\mathrm {H} +{\bar {\nu }}_{e}.}$

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 s_z спинов четырёх участвующих в распаде фермионов (начального нейтрона и образующихся протона, электрона и антинейтрино) возможны шесть конфигураций^[10]:

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

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

• Нейтрино
• Бета-распад
• Распад протона

Примечания

1. [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. 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.
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. 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

• Маляров В. В. Основы теории атомного ядра. — М.: Физматлит, 1959. — 471 с. — 18 000 экз.
• Ерозолимский Б. Г. Бета-распад нейтрона (рус.) // Успехи физических наук. — 1975. — Т. 116, № 1. — С. 145—164. — doi:10.3367/UFNr.0116.197505e.0145.
• Ерозолимский Б. Г. Бета-распад нейтрона (рус.) // Успехи физических наук. — 1977. — Т. 123, № 12. — С. 692—693. — doi:10.3367/UFNr.0123.197712l.0692.
• Бета-распад нейтрона (статья в «Физической энциклопедии»).
• Компиляция свойств нейтрона Particle Data Group