Распад свободного нейтрона - Free neutron decay

Схематическое из ядра атома индикации
β^-
излучение, испускание быстрого электрона из ядра (сопутствующий антинейтрино опущен). В модели ядра Резерфорда красные сферы были протонами с положительным зарядом, а синие сферы - протонами, прочно связанными с электроном без общего заряда. : На вставке показан бета-распад свободного нейтрона в его современном понимании; в этом процессе создаются электрон и антинейтрино.

Будучи встроенными в ядро атома , нейтроны (обычно) являются стабильными частицами. Вне ядра , свободные нейтроны нестабильны и имеют среднюю продолжительность жизни в879,6 ± 0,8  с (около 14 минут 39,6 секунды). Следовательно, период полураспада для этого процесса (который отличается от среднего времени жизни в ln (2) ≈ 0,693 раз ) равен611 ± 1 с (около 10 минут 11 секунд). (В недавней статье средний срок службы составляет 877,75 + 0,50 / -0,44 с).

Бета - распад нейтрона , описанный в этой статье , может быть нотирован на четыре несколько различных уровнях детализации, как показано в четырех слоях диаграмм Фейнман в разделе ниже .

п⁰
→
п⁺
+
е^-
+
ν
_е

Трудно наблюдать
W^-
быстро распадается на электрон и соответствующее ему антинейтрино . Субатомная реакция, показанная непосредственно выше, изображает процесс в том виде, в каком он был впервые понят в первой половине 20-го века. Бозон (
W^-
) исчез так быстро, что обнаружен не был. Позже было понято, что бета-распад происходит за счет излучения слабого бозона (
W^±
), иногда называемый заряженным слабым током . Бета-распад, в частности, включает в себя излучение
W^-
бозон из одного из нижних кварков, скрытых внутри нейтрона , тем самым превращая нижний кварк в верхний кварк и, следовательно, нейтрон в протон . Следующая диаграмма дает общий набросок процесса бета-распада в соответствии с нынешним уровнем понимания.

Диаграмма Фейнмана для бета-распада нейтрона

Вниз кварка выделены жирным шрифтом (
d
) номинально испускает бозон (
W^-
) и тем самым превратившись в ап-кварк (
ты
), также жирным шрифтом. В
ты

d
пары кварков, не выделенные жирным шрифтом, являются инертными наблюдателями всего события.

Для диаграмм на нескольких уровнях детализации см. § Процесс распада ниже.

Энергетический бюджет

Для свободного нейтрона энергия распада для этого процесса (основанная на массах покоя нейтрона, протона и электрона) составляет 0,782343 МэВ. Это разница между массой покоя нейтрона и суммой масс покоя продуктов. Эту разницу нужно унести в виде кинетической энергии . Максимальная энергия бета-распада электрона (в процессе, когда нейтрино получает исчезающе малую кинетическую энергию) была измерена на уровне 0,782 ± 0,013 МэВ . Последнее число недостаточно точно измерить, чтобы определить сравнительно крошечную массу покоя нейтрино (которую теоретически необходимо вычесть из максимальной кинетической энергии электрона); кроме того, масса нейтрино ограничивается многими другими методами.

Небольшая часть (примерно 1 из 1000) свободных нейтронов распадается с теми же продуктами, но с добавлением дополнительной частицы в виде испускаемого гамма-луча :

п⁰
→
п⁺
+
е^-
+
ν
_е +
γ

Этот гамма-луч можно рассматривать как своего рода «внутреннее тормозное излучение », которое возникает, когда испускаемая бета-частица (электрон) электромагнитно взаимодействует с зарядом протона. В этом процессе часть энергии распада уносится в виде энергии фотона . Гамма-излучение, образующееся таким образом, также является второстепенным признаком бета-распада связанных нейтронов, то есть нейтронов внутри ядра.

Очень небольшая часть нейтронных распадов (около четырех на миллион) - это так называемые «двухчастичные (нейтронные) распады», в которых протон, электрон и антинейтрино образуются как обычно, но электрон не может получить необходимые 13,6 эВ. энергия , чтобы избежать протона ( энергия ионизации из водорода ), и поэтому просто остается связанным с ним, в качестве нейтрального атома водорода (один из «двух тел»). В этом типе распада свободного нейтрона, по существу, вся энергия распада нейтрона уносится антинейтрино (другим «телом»).

Превращение свободного протона в нейтрон (плюс позитрон и нейтрино) энергетически невозможно, поскольку свободный нейтрон имеет большую массу, чем свободный протон. Однако посмотрите распад протона .

Процесс распада рассматривается с нескольких уровней

Понимание процесса бета-распада развивалось в течение нескольких лет, причем первоначальное понимание Энрико Ферми и его коллег началось с «поверхностного» первого уровня на диаграмме ниже. Текущее понимание слабых процессов находится на четвертом уровне, в нижней части диаграммы, где нуклоны ( нейтрон и его последовательный протон ) в значительной степени игнорируются, а внимание сосредотачивается только на взаимодействии между двумя кварками и заряженным бозоном с о распаде бозона почти не думали. Поскольку заряженный слабый бозон (
W^-
) исчезает так быстро, что фактически не наблюдалось в течение первой половины 20-го века, поэтому диаграмма на уровне 1 опускает его; даже в настоящее время это по большей части обусловлено его последствиями.

1 поверхностный уровень БАРИОНА
п0	→	п+	+		е-		+   ν е		Нейтронов ( п0 ) испускает электрон ( е- ) и его антинейтрино ( ν е) и становится протоном ( п+ ).
2 более глубокий уровень BOSON
п0	→	п+		+   W-					Нейтронов ( п0 ) испускает W- бозон и становится протоном ( п+ ).
				⤷	е-		+   ν е		В W- бозон распадается на электрон ( е- ) и его антинейтрино ( ν е).
3 более глубокий еще внутри- НУКЛОНОВЫЙ уровень
( ты d d )	→	( ты d ты )	+	W-					Один из нижних кварков нейтрона испускает W- бозон и становится ап-кварком.
				⤷	е-		+   ν е		В W- бозон распадается на электрон ( е- ) и его антинейтрино ( ν е).
4 самый глубокий уровень QUARK
d	→	ты	+	W-					Нижний кварк ( d ) испускает W- бозон и становится ап-кварком ( ты ).
				⤷	е-		+   ν е		В W- бозон распадается на электрон ( е- ) и его антинейтрино ( ν е).

Загадка времени жизни нейтрона

Хотя время жизни нейтрона изучается на протяжении десятилетий, в настоящее время существует непоследовательность в отношении его точного значения из-за различных результатов двух экспериментальных методов («бутылка» или «пучок»). «Аномалия времени жизни нейтрона» была обнаружена после уточнения экспериментов с ультрахолодными нейтронами. Хотя допустимая погрешность когда-то перекрывалась, растущее совершенствование техники, которое должно было решить проблему, не смогло продемонстрировать сходимость к одному значению. Разница в средних значениях срока службы, полученная по состоянию на 2014 год, составила примерно 9 секунд. Кроме того, прогноз значения, основанный на квантовой хромодинамике на 2018 год, все еще недостаточно точен, чтобы поддерживать одно по сравнению с другим. Как объяснил Вулховер (2018), тест пучка будет неверным, если есть мода распада, которая не производит протон. В 2021 году срок службы бутылочного метода был обновлен, чтобы увеличить разницу до 11 секунд ниже лучевого метода. ${\ displaystyle \ tau _ {n} = 877,75}$

Сноски

использованная литература

Библиография

• Ерозолимский, Б.Г. [Ерозолимский Б.Г.] (1975). "Бета-распад нейтрона" [Бета-распад нейтрона]. Успехи физических наук . 116 (1): 145–164.CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )