Бета-распад нейтрона

Бе́та-распа́д нейтро́на, превращение свободного нейтрона ${\displaystyle n}$ в протон ${\displaystyle p}$, электрон ${\displaystyle e^{-}}$ и электронное антинейтрино ${\displaystyle {\tilde {v}}_{e}}$, вызываемое слабым взаимодействием ${\displaystyle n\to p+e^{-}+{\tilde {v}}_{e}}$. 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 ${\displaystyle e}$ раз), были сделаны А. Снеллом (США), Дж. Робсоном (Канада) и П. Е. Спиваком (СССР) в конце 1940-х гг., 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 (т. н. Cтандартная модель физики элементарных частиц) 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 u-кварк с зарядом +² /₃ заряда электрона. При этом возникает частица – переносчик слабого взаимодействия – векторный ${\displaystyle W^{-}}$-бозон (W-бозон), который практически мгновенно распадается на электрон и антинейтрино. Таким образом, схема процесса распада такая: ${\displaystyle d\rightarrow u+W^{-}\ _{\searrow }^{\nearrow }\ _{{\tilde {v}}_{e}}^{e^{-}}}$.

Основными величинами, определяющими бета-распад нейтрона, являются время жизни нейтрона ${\displaystyle \tau _{n}}$ и четыре константы (угловые корреляции), характеризующие зависимости вероятности распада от: 1) угла между направлениями вылета электрона и антинейтрино с импульсами ${\displaystyle {\boldsymbol {p}}_{e}}$ и ${\displaystyle {\boldsymbol {p}}_{{\tilde {v}}_{e}}}$; 2) угла между ${\displaystyle {\boldsymbol {p}}_{e}}$ и спином нейтрона ${\displaystyle {\boldsymbol {\sigma }}_{n}}$; 3) угла между ${\displaystyle {\boldsymbol {p}}_{{\tilde {v}}_{e}}}$ и ${\displaystyle {\boldsymbol {\sigma }}_{n}}$ и 4) угла между нормалью к плоскости распада и ${\displaystyle {\boldsymbol {\sigma }}_{n}}$. Вторая и третья угловые корреляции нарушают незыблемый в классической физике закон сохранения пространственной чётности (независимости законов природы от зеркального отражения координат), а последняя, если бы была обнаружена, означала бы нарушение инвариантности законов при обращении времени.

При измерении времени жизни нейтронов используют два типа экспериментов – в выведенном из источника нейтронов пучке (пучковый метод) и с использованием ультрахолодных нейтронов (метод хранения ультрахолодных нейтронов). Наиболее точные значения ${\displaystyle \tau _{n}}$ 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. Усреднённые результаты (по измерениям на 2022), полученные этим методом с использованием как материальных так и магнитных ловушек, дают значение времени жизни нейтрона 879,3 ± 0,63 с.

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.