Бета-распад нейтрона

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

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

Примечания

  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