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

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

Спектр кинетической энергии излучаемого электрона лежит в диапазоне от 0 до 782,318 кэВ . Время жизни свободного нейтрона составляет 878,4 ± 0,5 секунды (что соответствует периоду полураспада 608,9 ± 0,3 с ). Прецизионные измерения параметров бета-распада нейтрона (время жизни, 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:

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

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) .

В 2005 году этот ранее предсказанный процесс был обнаружен экспериментально . 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 , 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 % .

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 , однако до сих пор не наблюдался: из экспериментов известно лишь, что вероятность такого распада меньше 0,27 % ( по этому каналу превышает 3⋅10 ⁴ с ) . Теоретически ожидаемая вероятность распада в связанное состояние по отношению к полной вероятности распада равна 3,92⋅10 ⁻⁶ . 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 . При распаде в атом водорода почти вся энергия распада, равная 782,33305 кэВ (за исключением очень малой кинетической энергии атома отдачи, 325,7 эВ , 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 :

( 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) . 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) .

См. также

• Нейтрино
• Бета-распад
• Распад протона

Примечания

Литература

• Маляров В. В. Основы теории атомного ядра. — М. : Физматлит, 1959. — 471 с. — 18 000 экз.
• Ерозолимский Б. Г. (рус.) // Успехи физических наук . — 1975. — Т. 116 , № 1 . — С. 145—164 . — doi : .
• Ерозолимский Б. Г. (рус.) // Успехи физических наук . — 1977. — Т. 123 , № 12 . — С. 692—693 . — doi : .
• .