Бета-распад нейтрона. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Бета-распад нейтрона - спонтанное превращение свободного нейтрона в протон, электрон и антинейтрино, вызываемое слабым взаимодействием. Период

полураспада свободного нейтрона. Впервые экспериментально обнаружили Б--р. н. и получили оценки периода его полураспада

почти одновременно (1948-50) и независимо друг от друга А. Снелл (A. H. Snell) (Ок-Ридш, США), Г. Робсон (J. Robson) (Чох-Ривер, Канада) и П. E. Спивак (ИАЭ). Всего выполнено >15 измерений Т_1/2 нейтрона. Наиб. точные данные получены в работе К.Кристенсена (С. Christensen) с сотрудниками (1970) (

=10,61b0,16 мин), групп Спивака (1978, T_1/2=10,18b0,10 мин) и Г. Бирна (1980, Г_1/2=10,82b0,21 мин).

Для определения Т_1/2 нейтрона производились 2 независимых абс. измерения: определялось число актов распада нейтронов в заданной области коллимированного пучка тепловых нейтронов и измерялось число нейтронов, находящихся в этой области. При этом регистрировались либо электроны (Кристенсен), либо протоны распада (Спивак, Бирн), диапазон энергий к-рых 0-800 эВ. В работе Спивака они регистрировались спец. низкофоновым пропорциональным счётчиком, на входное окошко к-рого протоны попадали, пройдя через ограничит. диафрагмы и ускорившись до энергии 25 кэВ в сферич. фокусирующем поле (рис. 1). Число нейтронов в области распада определялось по абс. активности Au, облучённого в том же месте нейтронного пучка.

Энергетич. спектр электронов был измерен в работах Робсона и Кристенсена (1972). За исключением

Рис. 1. Схема опыта по измерению периода полураспада свободного нейтрона 1 - вакуумная камера; 2 - пучок нейтронов; 3, 5 - ограничительные диафрагмы, 4 - экран (экранировка внешних полей); 6 -тормозящая сетка; 7 - фокусирующие электроды; 8 - детектор протонов (пропорциональный счетчик).

некоторых отклонений в мягкой области энергий (порядка 250 кэВ, по-видимому, обусловленных ошибками измерений) в целом

-спектр хорошо согласуется с формулой Ферми для разрешённых

-переходов (см. Бета-распад ядер):

Здесь

-энергия электрона,

-граничная энергия спектра (рис. 2). Эксперимент даёт

782b13 кэВ, что находится в согласии с теоретич. значением, к-рое следует из данных о массах нейтрона, атома водорода:

= 782,318b0,017кэВ.

Рис. 2. Бета-спектр распада свободного нейтрона; сплошная линия - теоретическая кривая; кружки соответствуют экспериментальным значениям с учётом энергетического разрешения спектрометра.

Угловые корреляции продуктов распада. Импульсы 3 частиц, образующихся при Б--р. н., связаны друг с другом законом сохранения, и потому с учётом спина распадающегося нейтрона теоретически возможны только 4 независимые угловые корреляции. Вероятность распада свободного нейтрона в единицу времени может быть записана в виде:

Здесь

- форма

-спектра,

- скорость электрона,

- единичные векторы направлений вылета электрона и антинейтрино, а - константа связи между направлениями вылета антинейтрино и электрона; А характеризует связь между направлением вылета электрона

и направлением спина распадающегося нейтрона

; В характеризует связь между направлением вылета антинейтрино

и спином нейтрона

; D характеризует корреляцию между направлением спина s и нормалью к плоскости разлёта частиц.

Корреляции

являются пространственно-нечётными, т, е. меняют знак при зеркальном отражении системы координат. Тройная корреляция

- пространственно-чётная, но является нечётной по отношению к инверсии времени (T нечётна).

Распад нейтрона и константы слабого взаимодействия. Согласно теоретич. представлениям, осн. вклад в Б--р.н. должны давать векторные (F) и аксиально-векторные (А)взаимодействия (V -А -вариант) с безмассовым продольным антинейтрино или (возможно) с почти продольным антинейтрино, обладающим весьма малой (по сравнению с электроном) массой. Однако теоретически мыслима суперпозиция ещё 3 (всего 5) вариантов слабого взаимодействия 4 фермионов - скалярного (S), псевдоскалярного (P)и тензорного (T). Выяснение вопроса о том, какие же варианты реализуются в действительности, является гл. задачей исследования бета-распада ядер и нейтрона. Наиб. надёжным путём решения этой задачи является получение точных значений констант а, А , В, D. В случае Б--р. н. интерпретация экспериментальных данных свободна от неопределённостей, порождённых неизвестными деталями структуры ядер.

Прецезионные исследования корреляции антинейтрино- электрон, проведённые в Австр. исследоват. центре в Зайберсдорфе (1975-78), дали значение а=-0,1017b0,0051. При этом измерялся спектр протонов распада, долетевших через вакуумированный канал из активной зоны реактора. Измерение констант А и В стало возможным лишь после того, как были получены мощные пучки поляризованных нейтронов (до 10⁹ нейтр/с). Наиб. проста схема измерения константы А. Из заданной области пучка поляризов. нейтронов регистрируются электроны, летящие в нек-ром телесном угле, при 2 направлениях поляризации нейтронов - параллельно и антипараллельно оси регистрации электронов, сравнивая скорости счёта

в этих условиях, получают т. н. величину асимметрии:

где

- усреднено по регистрируемой части спектра,

- угол между направлением поляризации нейтро-

Рис. 3. Схема опыта по измерению электрон-спиновой корреляции: 1 - детектор электронов (сцинтилляционная пластмасса и ФЭУ); 2 - сетка; 3 - вакуумная камера; 4 - пучок поляризованных нейтронов; 5 - сферический электрод ( + 25 кВ); 6 -малая сферическая сетка; 7 - детектор протонов (CsI и ФЭУ): 8 - экран; 9 - коническая сетка (+28 кВ); 10 - диафрагма, выделяющая рабочую область нейтронного пучка.

нов и импульсом регистрируемого электрона, К - коэф. поляризации нейтронного пучка.

В действительности картина усложнена наличием фона от электронов, не связанных с распадом нейтрона. Это вынуждает включать детектор электронов на совпадения с детектором протонов распада. При этом, однако, в асимметрию может внести заметный вклад угловая корреляция антинейтрино-спин, к-рая в 10 раз сильнее измеряемой. В работах ИАЭ установка конструировалась так, чтобы обеспечить собирание всех протонов, образующихся при Б--р. н., что исключало влияние корреляции антинейтрино-спин (рис. 3). Результат этих работ: А =-0,114b0,005. Аналогичные исследования, проведённые в Аргонской лаборатории (США), дали: А =- 0,113b0,006.

Для константы В получены значения: В = 1,01b0,05 (США) и B =+0,955b0,035 (СССР). Корреляция

- объект поиска нарушения Т-чётности в слабых взаимодействиях. Всего выполнено 6 измерений константы D. Наиб. точные дали: D =+0,0022b0,0030 (СССР) и D = -0,0011b0,0017 (Гренобль, Франция). Эти результаты свидетельствуют об отсутствии искомого эффекта E пределах погрешности измерений.

Полученные при исследовании распада поляризов. нейтронов значения констант А и В позволили сделать однозначный выбор в пользу V-A-варианта теории. Хорошим тестом является соотношение 1+A=B+a, к-рому должны удовлетворять данные в случае чистого V-A-варианта. Однако имеющиеся данные пока ещё не исключают (в пределах ошибок измерений) наличия в гамильтониане слабого взаимодействия членов скалярного или тензорного типа, а лишь накладывают ограничения на константы G соответствующих слабых 4-фермионных взаимодействий: G_S/G_V<0,3 и G_T/G_A<0,15.

B рамках V-А -теории данные экспериментов по Б--р. н. дают возможность определить относит. вклады векторного и аксиально-векторного членов в гамильтониане слабых взаимодействий. Константа

является фундаментальной величиной. Она может быть вычислена из данных о коэф. а, А, В и значения периода полураспада нейтрона. В табл. приведены значения

, соответствующие наиб. точным измерениям T_1/2 нейтрона и констант а и А (константа В известна с недостаточной точностью).

Отсутствие Т-нечётной корреляции (D=0)в пределах погрешностей измерения может быть также записано в форме, отражающей свойства константы

. Если константу

записать в виде комплексного числа

, то чистому V-А -варианту соответствует фазовый угол

=180°. Несохранение T-чётности означало бы отклонение этого угла от 180°. Результаты приведённых выше измерений

, полученных в ИАЭ и в Гренобле, соответствуют след. значениям угла

= 179,71°b0,39;

=180°, 14b0,22.

Литература по бета-распаду нейтрона

Знаете ли Вы, как разрешается парадокс Ольберса?
(Фотометрический парадокс, парадокс Ольберса - это один из парадоксов космологии, заключающийся в том, что во Вселенной, равномерно заполненной звёздами, яркость неба (в том числе ночного) должна быть примерно равна яркости солнечного диска. Это должно иметь место потому, что по любому направлению неба луч зрения рано или поздно упрется в поверхность звезды.
Иными словами парадос Ольберса заключается в том, что если Вселенная бесконечна, то черного неба мы не увидим, так как излучение дальних звезд будет суммироваться с излучением ближних, и небо должно иметь среднюю температуру фотосфер звезд. При поглощении света межзвездным веществом, оно будет разогреваться до температуры звездных фотосфер и излучать также ярко, как звезды. Однако в дело вступает явление "усталости света", открытое Эдвином Хабблом, который показал, что чем дальше от нас расположена галактика, тем больше становится красным свет ее излучения, то есть фотоны как бы "устают", отдают свою энергию межзвездной среде. На очень больших расстояниях галактики видны только в радиодиапазоне, так как их свет вовсе потерял энергию идя через бескрайние просторы Вселенной. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.

Характер эксперимента	Экспериментальная группа	Год
1. Измерение T_1/2	К. Кристенсен и др. (РИСО, Дания)	1972	1,244b0,011
2. "	П. E. Спивак и др. (ИАЭ, СССР)	1978	1,276b0, 008
3. "	Г. Бирн и др. (Франция)	1980	1,230b0,015
4. Измерения константы А	P. Доброземский и др. (Зайберсдорф, Австрия)	1978	1,259b0,017
5. "	В. Крон, Дж. Ринго (Аргонн, США)	1975	- 1,254b0,018
6. "	Б, Г. Ерозолимский и др. (ИАЭ, СССР)	1978	- 1, 257b0,013