Neutron beta-sönderfall

Neutronbeta-sönderfall  - spontan omvandling av en fri neutron till en proton med emission av en β-partikel (elektron) och en elektron antineutrino :

Det kinetiska energispektrumet för den emitterade elektronen ligger i intervallet från 0 till 782,318 keV . Livslängden för en fri neutron är 880,1 ± 1,1 sekunder [1] (motsvarande en halveringstid på 611 ± 0,8 s ). Exakta mätningar av parametrarna för neutronbeta -sönderfall (livstid, vinkelkorrelationer mellan partikelmoment och neutronspinn ) är avgörande för att bestämma egenskaperna hos den svaga interaktionen .

Neutronbeta-sönderfall förutspåddes av Frédéric Joliot-Curie 1934 och upptäcktes 1948-1950 oberoende av A. Snell , J. Robson och P.E. Spivak .

Sällsynta förfallskanaler

Radiativt betasönderfall av neutronen

Förutom sönderfallet av en neutron med bildandet av en proton, en elektron och en elektron antineutrino, bör en mer sällsynt process också inträffa med emission av ytterligare en gammakvant  - strålning (det vill säga åtföljd av elektromagnetisk strålning ) beta-sönderfall av en neutron:

Teorin förutspår att spektrumet av gammastrålar som sänds ut under en neutrons strålningssönderfall bör ligga i intervallet från 0 till 782 keV och vara beroende av energi (i den första approximationen) som E −1 . Ur en fysisk synvinkel är denna process bremsstrahlung av den framväxande elektronen (och i mindre utsträckning protonen) [2] .

2005 upptäcktes denna tidigare förutspådda process experimentellt [3] . Mätningarna i detta arbete visade att den strålningssönderfallskanalen realiseras med en sannolikhet på 0,32 ± 0,16 % vid en gamma-kvantenergi E y > 35 keV . Detta resultat bekräftades och förfinades avsevärt av ett antal andra experimentella grupper; i synnerhet fann RDK II - samarbetet [2] att sannolikheten för sönderfall med gammastrålning är (0,335 ± 0,005 stat ± 0,015 syst )% vid E γ > 14 keV och (0,582 ± 0,023 stat ± 0,062 syst )% vid syst. 0, 4 keV < E y < 14 keV . Detta sammanfaller inom felet med teoretiska förutsägelser (0,308 % respektive 0,515 %).

Beta-sönderfall av en neutron till ett bundet tillstånd

Det måste också finnas en kanal för sönderfallet av en fri neutron till ett bundet tillstånd - en väteatom

Denna kanal förutspåddes 1947 [4] , men har ännu inte observerats: från experiment är det bara känt att sannolikheten för ett sådant förfall är mindre än 3 % ( den partiella livslängden för denna kanal överstiger 3⋅10 4 s ) [ 5] . Teoretiskt sett är den förväntade sannolikheten för sönderfall till ett bundet tillstånd med avseende på den totala sönderfallssannolikheten 3,92⋅10 −6 [6] . För att uppfylla lagen om bevarande av rörelsemängd måste en bunden elektron uppstå i S -tillståndet (med noll omloppsrörelsemängd), inklusive med en sannolikhet på ≈84% i grundtillståndet och 16% i ett av de exciterade S -tillstånden av väteatomen [7] . När den sönderfaller till en väteatom, nästan hela sönderfallsenergin, lika med 782,33305 keV (förutom den mycket lilla kinetiska energin hos rekylatomen, 325,7 eV [8] , och, i fallet med sönderfall till ett exciterat atomärt tillstånd, excitationsenergi, som inte överstiger 13, 6 eV) förs bort av en elektron antineutrino, och spinntillståndet för den resulterande väteatomen är relaterat till heliciteten hos den emitterade antineutrino. Om vi ​​tar riktningen för väteatomens rörelsemängd i masscentrumsystemet som den positiva riktningen av z- axeln , då för projektionerna s z av spinn av de fyra fermionerna som är involverade i sönderfallet (den initiala neutronen och resulterande proton, elektron och antineutrino) sex konfigurationer är möjliga [9] :

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

dessutom är de tre första tillåtna, och de tre sista är förbjudna av standardmodellen, eftersom antineutrinos helicitet i dessa fall skulle vara rätt; sannolikheterna för bildandet av konfigurationerna 1, 2 och 3 beror på skalär-, vektor-, axial- och tensorkopplingskonstanter för den svaga interaktionen (i standarden V − A -teorin är skalär- och tensorkonstanterna lika med noll; endast övre gränser för dem fastställs experimentellt) [9] . Således kan mätningar av de relativa sannolikheterna för olika spin-kanaler av neutronbeta-sönderfall till ett bundet tillstånd ge information om fysik bortom standardmodellen (närvaron av högerhänta strömmar, skalära och tensorkopplingskonstanter i den svaga interaktionen) [9] .

Se även

Anteckningar

  1. ↑ J. Beringer et al. (Partikeldatagrupp), Phys. Varv. D86, 010001 (2012) http://pdg.lbl.gov/2012/tables/rpp2012-sum-baryons.pdf Arkiverad 12 maj 2013 på Wayback Machine
  2. ↑ 1 2 Bales M. J. et al. (RDK II Samarbete). Precisionsmätning av den fria neutronens radiativa β-sönderfall  // Physical Review Letters  . - 2016. - Vol. 116 , nr. 24 . — S. 242501 . — ISSN 0031-9007 . - doi : 10.1103/PhysRevLett.116.242501 . - arXiv : 1603.00243 .
  3. ↑ Khafizov RU, Severijns N., Zimmer O., Wirth H.-F., Rich D., Tolokonnikov SV, Solovei VA, Kolhidashvili MR Observation av neutronens radioaktiva sönderfall // Journal of Experimental and Theoretical Physics Letters . - 2006. - Vol. 83. - P. 366. - ISSN 0021-3640 . - doi : 10.1134/S0021364006080145 . - arXiv : nucl-ex/0512001 .
  4. ↑ Daudel R., Jean M., Lecoin M. Sur la possibilité d'existence d'un type particulier de radioactivité phénomène de creation e  (franska)  // J. Phys. radie. - 1947. - Vol. 8 , livr. 8 . - S. 238-243 . - doi : 10.1051/jphysrad:0194700808023800 . Fri tillgång
  5. ↑ Green K., Thompson D. Neutronens sönderfall till en väteatom  // Journal of Physics G: Nuclear and Particle Physics. - 1990. - T. 16 , nr. 4 . - S. L75-L76 . - doi : 10.1088/0954-3899/16/4/001 .
  6. ↑ Faber M. , Ivanov AN , Ivanova VA , Marton J. , Pitschmann M. , Serebrov AP , Troitskaya NI , Wellenzohn M. Kontinuum-tillstånd och bundet tillstånd β − -sönderfallshastigheter för neutronen  (engelska)  // Physical Review C. - 2009. - Vol. 80 , nej. 3 . — S. 035503 . — ISSN 0556-2813 . - doi : 10.1103/PhysRevC.80.035503 . - arXiv : 0906.0959 .
  7. ↑ Dubbers D., Schmidt MG Neutronen och dess roll i kosmologi och partikelfysik  //  Recensioner av modern fysik. - 2011. - Vol. 83 . - P. 1111-1171 . - doi : 10.1103/RevModPhys.83.1111 . - arXiv : 1105.3694 .
  8. ↑ Zhang Shuo, Wang Song-Lin, Zhou Jian-Rong, Wu Wen-Tao, Xia Jing-Kai, Zhang Rui-Tian, ​​Zhang Le (2022), Förslag till mätning av tvåkroppsneutronsönderfallet med mikrokalorimeter, arΧiv : 2210.02314 [hep-ex]. 
  9. ↑ 1 2 3 McAndrew J. et al. Bundet beta-sönderfall av den fria neutronen: BoB   // Physics Procedia . - 2014. - Vol. 51 . - S. 37-40 . — ISSN 1875-3892 . - doi : 10.1016/j.phpro.2013.12.009 .

Litteratur

  Gå till Wikidata-objektet  Ordböcker och uppslagsverk