stringtranslate.com

Распад свободного нейтрона

Схема ядра атома с указанием
β−
излучение — испускание быстрого электрона из ядра (сопутствующее антинейтрино опущено). В модели ядра Резерфорда красные сферы представляли собой протоны с положительным зарядом, а синие сферы — это протоны, тесно связанные с электроном без суммарного заряда . : На вставке показан бета-распад свободного нейтрона, как его понимают сегодня; В этом процессе создаются электрон и антинейтрино.

Будучи внедренными в атомное ядро , нейтроны (обычно) являются стабильными частицами. Вне ядра свободные нейтроны нестабильны и имеют среднее время жизни877,75+0,50
−0,44 с [1] или879,6 ± 0,8 с [2] (около14 минут и37,75 с или39,6 с соответственно). Поэтому период полураспада этого процесса (отличающийся от среднего времени жизни в ln (2) ≈ 0,693 раза ) составляет611 ± 1 с (около10 минут ,11 с ). [3] [4]

Бета -распад нейтрона, описанный в этой статье, можно обозначить на четырех немного разных уровнях детализации, как показано на четырех слоях диаграмм Фейнмана в разделе ниже.

н0→п++ е−+νе

Трудно наблюдать
Вт−
 быстро распадается на электрон и соответствующее ему антинейтрино . Субатомная реакция, показанная выше, изображает процесс в том виде, в каком он был впервые понят в первой половине 20-го века. Бозон (​ Вт− ) исчез так быстро, что его обнаружили гораздо позже. Позже стало понятно, что бета-распад происходит за счет испускания слабого бозона ( Вт± ), иногда называемый заряженным слабым током . Бета-распад, в частности, включает в себя испускание Вт− бозон от одного из нижних кварков , спрятанных внутри нейтрона, тем самым превращая нижний кварк в верхний кварк и, следовательно, нейтрон в протон . На следующей диаграмме дана краткая схема процесса бета-распада в соответствии с нынешним уровнем понимания.

Диаграмма Фейнмана бета-распада нейтрона
Даун -кварк выделен жирным шрифтом (д) номинально является излучателем бозона ( Вт− ) и тем самым превратившись в ап-кварк (ты), также выделено жирным шрифтом. тыдПара кварков , не выделенная жирным шрифтом, является инертным свидетелем всего события.

Диаграммы на нескольких уровнях детализации см. в § Процесс распада ниже.

Энергетический бюджет

Для свободного нейтрона энергия распада этого процесса (исходя из масс покоя нейтрона, протона и электрона) равна0,782 343  МэВ . Это разница между массой покоя нейтрона и суммой масс покоя продуктов. Эта разница должна быть унесена как кинетическая энергия . Максимальная энергия электрона бета-распада (в процессе которого нейтрино получает исчезающе малое количество кинетической энергии) измерена при0,782 ± 0,013 МэВ . [5] Последнее число недостаточно точно измерено, чтобы определить сравнительно небольшую массу покоя нейтрино ( которую теоретически необходимо вычесть из максимальной кинетической энергии электрона); кроме того, масса нейтрино ограничивается многими другими методами.

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

н0→п++е−+νе+γ

Это гамма-лучи можно рассматривать как своего рода «внутреннее тормозное излучение », которое возникает, когда испускаемая бета-частица (электрон) взаимодействует с зарядом протона электромагнитным образом. В этом процессе часть энергии распада уносится в виде энергии фотонов . Гамма-лучи, образующиеся таким образом, также являются второстепенным признаком бета-распада связанных нейтронов, то есть находящихся внутри ядра.

Очень небольшое меньшинство распадов нейтронов (около четырех на миллион) представляют собой так называемые «двухчастичные (нейтронные) распады», при которых протон, электрон и антинейтрино образуются как обычно, но электрон не может получить необходимые 13,6 эВ. энергии выхода из протона ( энергия ионизации водорода ), и поэтому просто остается связанным с ним, как нейтральный атом водорода (одно из «двух тел»). При этом типе распада свободных нейтронов, по сути, вся энергия распада нейтрона уносится антинейтрино (другим «телом»).

Превращение свободного протона в нейтрон (плюс позитрон и нейтрино) энергетически невозможно, так как свободный нейтрон имеет большую массу, чем свободный протон. Однако см. 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. Современное понимание слабых процессов находится на четвертом уровне, в нижней части диаграммы, где нуклоны ( нейтрон и его последующий протон) в значительной степени игнорируются, а внимание сосредотачивается только на взаимодействии между двумя кварками и заряженным бозоном, причем Распад бозона считался почти второстепенной мыслью. Поскольку заряженный слабый бозон (Вт−) исчезает так быстро, что в первой половине 20 века его фактически не наблюдалось, поэтому на диаграмме уровня 1 он отсутствует; даже в настоящее время это по большей части определяется его последствиями.


Загадка жизни нейтрона

Хотя время жизни нейтрона изучается на протяжении десятилетий, в настоящее время существует отсутствие согласия относительно его точного значения из-за разных результатов, полученных двумя экспериментальными методами («бутылка» и «пучок» [6] [а] ). «Аномалия времени жизни нейтрона» была обнаружена после уточнения экспериментов с ультрахолодными нейтронами. [7] Хотя предел погрешности когда-то перекрывался, дальнейшее усовершенствование техники, которое должно было решить проблему, не смогло продемонстрировать сходимость к единому значению. [8] [9] [10] [11] Разница в значениях среднего срока службы, полученных по состоянию на 2014 год, составила примерно 9 секунд. [9] Кроме того, прогноз значения, основанный на квантовой хромодинамике по состоянию на 2018 год, все еще недостаточно точен, чтобы поддерживать одно преимущество над другим. [12] [b] Как объяснил Wolchover (2018), [6] лучевой тест был бы неверным, если существует режим распада, который не производит протон.

13 октября 2021 года срок службы бутылочного метода был обновлен до [13] [1], увеличив разницу до 10 секунд ниже значения лучевого метода [14] [15] , а также в тот же день новый третий метод с использованием данных из Последняя лунная миссия НАСА сообщила о значении [14] [16] , но с большой неопределенностью.

Еще один подход, аналогичный лучевому методу, был исследован Японским исследовательским комплексом протонных ускорителей (J-PARC), но на данный момент он слишком неточный, чтобы иметь значение для анализа несоответствия. [17] [18]

Смотрите также

Сноски

  1. ^ Когда физики отделяют нейтроны от атомных ядер, помещают их в бутылку, а затем подсчитывают, сколько там останется через некоторое время, они делают вывод, что нейтроны радиоактивно распадаются в среднем за 14 м 39 с . Но когда другие физики генерируют пучки нейтронов и подсчитывают количество возникающих протонов — частиц, на которые распадаются свободные нейтроны, — они оценивают среднее время жизни нейтрона примерно в 14 м 48 с . Расхождение между «бутылочными» и «лучевыми» измерениями сохранялось [ с тех пор, как оба метода измерения долговечности нейтрона начали давать результаты в 1990-х годах. Поначалу все измерения были настолько неточными, что никто не волновался. Однако постепенно оба метода усовершенствовались, но по-прежнему расходятся во мнениях. - Волховер (2018) [6]
  2. ↑ Ученые уже использовали новый расчет осевой связи нуклонов, чтобы получить чисто теоретический прогноз времени жизни нейтрона. На данный момент это новое значение согласуется с результатами обоих типов экспериментальных измерений, которые отличаются всего на 9 секунд .
    «У нас есть число для времени жизни нейтрона: 14 м 40 с , с погрешностью 14 с . Это как раз посередине значений, измеренных в двух типах экспериментов, с большой погрешностью, которая перекрывается. оба,"
    - сказал Ринальди. [12]

Рекомендации

  1. ^ ab UCNτ Сотрудничество; Гонсалес, FM; Фрис, Э.М.; Кьюд-Вудс, К.; Бейли, Т.; Блатник, М.; Бруссард, LJ; Каллахан, Северная Каролина; Чой, Дж. Х.; Клейтон, С.М.; Карри, ЮАР (13 октября 2021 г.). «Улучшенное измерение времени жизни нейтрона с помощью UCNτ». Письма о физических отзывах . 127 (16): 162501. arXiv : 2106.10375 . doi : 10.1103/PhysRevLett.127.162501. PMID  34723594. S2CID  235490073.
  2. ^ Группа данных о частицах (2020). Нейтрон означает жизнь (Отчет). Обзор физики элементарных частиц. Беркли, Калифорния : Лаборатория Лоуренса Беркли .
  3. ^ Беринджер, Дж.; и другие. ( Группа данных о частицах ) (2012). «Сводка по барионам» (PDF) . Физ. Преподобный Д. 86 : 010001. doi : 10.1103/PhysRevD.86.010001. S2CID  118588567.
  4. ^ Группа данных о частицах (2007). Сводная таблица данных по барионам (PDF) . lbl.gov (Отчет). Лаборатория Лоуренса Беркли . Проверено 16 августа 2012 г.
  5. ^ Хейде, К. (2004). «Бета-распад: слабое взаимодействие в действии». Основные идеи и концепции ядерной физики: вводный подход (третье изд.). Тейлор и Фрэнсис. дои : 10.1201/9781420054941. ISBN 978-0-7503-0980-6. Архивировано из оригинала 19 января 2013 г. – через archive.today; ссылка на архивную гл. 5 текст.
  6. ^ abc Wolchover, Натали (13 февраля 2018 г.). «Загадка времени жизни нейтрона углубляется, но темной материи не видно». Журнал Кванта . Проверено 31 июля 2018 г.
  7. ^ Серебров, АП; Фомин, А.К. (2011). «Новая оценка времени жизни нейтронов на основе экспериментов по хранению УХН и пучковых экспериментов». Процессия по физике . 17 : 199–205. arXiv : 1104.4238 . Бибкод : 2011PhPro..17..199S. дои : 10.1016/j.phpro.2011.06.037. S2CID  119204009.
  8. ^ Пол, Стефан (2009). «Загадка времени жизни нейтрона». Ядерные приборы и методы в физических исследованиях. Раздел А: Ускорители, спектрометры, детекторы и сопутствующее оборудование . 611 (2–3): 157–166. arXiv : 0902.0169 . Бибкод : 2009NIMPA.611..157P. дои :10.1016/j.nima.2009.07.095. ISSN  0168-9002. S2CID  9765336.
  9. ^ аб Московиц, Клара (2014). «Тайна смерти нейтрона поставила физиков в тупик». Природа . дои : 10.1038/nature.2014.15219. ISSN  1476-4687. S2CID  123870434.
  10. ^ Грин, Джеффри Л.; Гельтенборт, Питер (2016). «Нейтронная загадка». Научный американец . 314 (4): 36–41. Бибкод : 2016SciAm.314d..36G. doi : 10.1038/scientificamerican0416-36. ISSN  0036-8733. ОСТИ  1481712. ПМИД  27082189.
  11. ^ Мумм, Питер (2018). «Решение загадки времени жизни нейтрона». Наука . 360 (6389): 605–606. Бибкод : 2018Sci...360..605M. doi : 10.1126/science.aat7140. ISSN  0036-8075. PMID  29748273. S2CID  206667316.
  12. ^ ab «Учёные-ядерщики рассчитывают значение ключевого свойства, которое приводит к распаду нейтрона». Брукхейвенская национальная лаборатория (пресс-релиз). 30 мая 2018 года . Проверено 31 июля 2018 г.
  13. ^ «Как долго живет нейтрон?». Калифорнийский технологический институт . 13 октября 2021 г. Проверено 14 октября 2021 г.
  14. ^ Аб Уилсон, Джек Т.; Лоуренс, Дэвид Дж.; Пепловски, Патрик Н.; Эке, Винсент Р.; Кегеррайс, Джейкоб А. (13 октября 2021 г.). «Измерение времени жизни свободных нейтронов с помощью нейтронного спектрометра миссии НАСА Lunar Prospector». Физический обзор C . 104 (4): 045501. arXiv : 2011.07061 . Бибкод : 2021PhRvC.104d5501W. doi : 10.1103/PhysRevC.104.045501. S2CID  226955795.
  15. ↑ Анонимно (27 ноября 2013 г.). «Расхождение во времени жизни нейтрона все еще не решено». Физика . 6 . Бибкод : 2013PhyOJ...6S.150.. doi :10.1103/Physics.6.s150.
  16. ^ Лоуренс, Дэвид Дж.; Уилсон, Джек Т.; Пепловски, Патрик Н. (1 февраля 2021 г.). «Космические измерения времени жизни нейтронов: подходы к разрешению аномалии времени жизни нейтронов». Ядерные приборы и методы в физических исследованиях. Раздел А: Ускорители, спектрометры, детекторы и сопутствующее оборудование . 988 : 164919. arXiv : 2011.06095 . Бибкод : 2021NIMPA.98864919L. дои : 10.1016/j.nima.2020.164919. S2CID  226307043.
  17. ^ Хирота, К; Итикава, Г; Иеки, С; Я не; Ивашита, Ю; Китагути, М; Китахара, Р; Кога, Дж; Мисима, К; Моги, Т; Морикава, К. (15 декабря 2020 г.). «Измерение времени жизни нейтрона с помощью импульсных холодных нейтронов». Успехи теоретической и экспериментальной физики . 2020 (12): 123C02. arXiv : 2007.11293 . дои : 10.1093/ptep/ptaa169. ISSN  2050-3911.
  18. ^ «KEK решает загадку времени жизни нейтрона» . ЦЕРН Курьер . 2 июля 2021 г. Проверено 2 декабря 2021 г.

Библиография