Бета-распад нейтрона

БЕТА-РАСПАД НЕЙТРОНА, превращение свободного нейтрона n в протон р, электрон е и электронное антинейтрино v?_e, вызываемое слабым взаимодействием: n → р + е^- + v?_e. Энергия, высвобождаемая в этом процессе, составляет 783 кэВ; она распределяется в основном между разлетающимися в разные стороны электроном и антинейтрино, а протон уносит от 0 до 751 эВ.

Первые опыты, в которых обнаружено существование бета-распада нейтрона и получены первые оценки времени жизни нейтрона (т. е. времени, в течение которого число нейтронов убывает в е раз), были сделаны А. Снеллом (США), Г. Робсоном (Канада) и П.Е. Спиваком (СССР) в конце 1940-х годов, когда появились ядерные реакторы с интенсивными потоками нейтронов. В этих опытах измерялось число протонов или электронов, вылетающих из выделенной области нейтронного пучка, и число нейтронов в этой области. С тех пор изучение бета-распада нейтрона - процесса, в котором свойства слабого взаимодействия проявляются практически в чистом виде, - интенсивно продолжается.

Современная теория элементарных частиц (так называемая стандартная модель) рассматривает этот процесс как результат превращения одного из двух d-кварков, входящих в состав нейтрона и обладающих отрицательным зарядом, равным 1/3 заряда электрона, в и-кварк с зарядом + 2/3 заряда электрона. При этом возникает частица - переносчик слабого взаимодействия - векторный W^--бозон, который практически мгновенно распадается на электрон и антинейтрино. Т.о., схема процесса распада такая:

Основными величинами, определяющими бета-распад нейтрона, являются время жизни нейтрона τ_n и четыре константы (угловые корреляции), характеризующие зависимости вероятности распада от:

1) угла ме­жду направлениями вылета электрона и антинейтрино с импульсами р_с и р_v?e,

2)   угла между р_е и спином нейтрона σ_n

3)   угла между р_v?e и σ_n и

4) угла между нормалью к плоскости распада и σ_n.

Вторая и третья угловые корреляции нарушают незыблемый в классической физике закон сохранения пространственной чётности (независимость законов природы от зеркального отражения координат), а последняя, если бы была обнаружена, означала бы нарушение инвариантности законов при обращении времени.

К началу 21 века осуществлено более 25 измерений времени жизни нейтрона различными методами. В результате установлено, что среднее время жизни нейтрона τ_n = 885,7 ±0,7 с. Наиболее точные значения τ_n были получены методом хранения ультрахолодных нейтронов, которые могут долго находиться в замкнутых объёмах, ограниченных слабо поглощающими стенками или специальными конфигурациями магнитного поля. При этом непосредственно измерялось убывание числа ультрахолодных нейтронов со временем.

Результаты измерений констант угловых корреляций на современном уровне точности эксперимента не противоречат теории. Тем не менее, попытки обнаружить какие-либо эффекты, которые свидетельствовали бы о необходимости выхода за пределы стандартной модели, продолжаются.

Дальнейшее уточнение времени жизни нейтрона и констант угловых корреляций важно также для астрофизики и космологии: эти данные используются в теории эволюции Вселенной после Большого взрыва и в описании процессов, идущих внутри звёзд и определяющих их энергетику.

Лит.: Ерозолимский Б. Г. Бета-распад свободного нейтрона // Современные методы ядерной спектроскопии. 1986. Л., 1988; Александров Ю. А. Фундаментальные свойства нейтрона. 3-е изд. М., 1992.