Распад свободного нейтрона
 | Эта статья предоставляет недостаточный контекст для тех, кто не знаком с предметом . ( январь 2023 г. ) |
б −
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 жизни 877,75 +0,50 .
−0,44 с [1] или 879,6 ± 0,8 с [2] (около 14 мин и 37,75 с или 39,6 с соответственно). Следовательно, период полураспада этого процесса (отличающийся от среднего времени жизни в ln (2) ≈ 0,693 раза ) составляет 611 ± 1 с (около 10 мин , 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 .
Трудно наблюдать
В −
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 (
В −
) исчез так быстро, что его обнаружили гораздо позже.Позже стало понятно, что бета-распад происходит за счет испускания слабого бозона (
В ±
), иногда называемый заряженным слабым током . Бета-распад, в частности, включает в себя испускание
В −
бозон от одного из нижних кварков, скрытых 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.
| 3-кварковый композит нейтрон ( н 0 ) | 3-кварковый композит протон ( п + ) | ||||||
| ︷ | ︷ | ||||||
| ( в д д ) | → | ( в д в ) | + | В − | |||
| ⤷ | и − | + н и | |||||
| ︸ | |||||||
| последующий В − разлагаться | |||||||
- выделен Даун-кварк жирным шрифтом (
д
) номинально является излучателем бозона (
В −
) и тем самым превратившись в ап-кварк (
в
), также выделено жирным шрифтом.
в
д
Пара кварков, не выделенная жирным шрифтом, является инертными свидетелями всего события.
Диаграммы на нескольких уровнях детализации см. в § Процесс распада ниже.
Энергетический бюджет
[ редактировать ]Для свободного нейтрона энергия распада этого процесса (в пересчете на массы покоя нейтрона, протона и электрона) составляет 0,782 343 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 на уровне 0,782 ± 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 :
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. протона ( энергия ионизации водорода энергии выхода из ), 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
[ редактировать ]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 (
В −
) 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.
- 1 поверхностный БАРИОН уровень
н 0
→
п +
+
и −
+
н
иНейтрон (
н 0
) испускает электрон (
и −
) и его антинейтрино (
н
д ) и становится протоном (
п +
).2 более глубоких БОЗОНА уровня
н 0
→
п +
+
В −
Нейтрон (
н 0
) излучает
В −
бозон и становится протоном (
п +
).⤷
и −
+
н
иThe
В −
бозон распадается на электрон (
и −
) и его антинейтрино (
н
е ).
(
в
д
д
)→ (
в
д
в
)+
В −
Один из даун-кварков нейтрона испускает
В −
бозон и становится ап-кварком.⤷
и −+
н
иThe
В −
бозон распадается на электрон (
и −
) и его антинейтрино (
н
е ).
4 самый глубокий КВАРК уровень
д
→
в
+
В −
Даун-кварк (
д
) излучает
В −
бозон и становится ап-кварком (
в
).⤷
и −
+
н
иThe
В −
бозон распадается на электрон (
и −
) и его антинейтрино (
н
е ).
Загадка жизни нейтрона
[ редактировать ]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] [б] Как объяснил Волчовер (2018), [6] пучковый тест был бы неверным, если бы существовал режим распада, при котором не образуется протон.
13 октября 2021 года срок службы бутылочного метода был обновлен до [13] [1] увеличение разницы до 10 секунд ниже значения лучевого метода [14] [15] а также в тот же день новый третий метод, использующий данные прошлой миссии НАСА по исследованию Луны, сообщил 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]
См. также
[ редактировать ]- Массив Хальбаха – используется в методе «бутылка».
Сноски
[ редактировать ]- ^ 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 за 14 м 39 с , в среднем. 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 лет. 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. - Волчовер (2018) [6]
- ^ 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 сек .
- «У нас есть число времени жизни нейтрона: 14 м 40 с , с погрешностью 14 с . Это как раз посередине значений, измеренных в ходе двух типов экспериментов, с большой полосой погрешностей, перекрывающей оба типа».
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б Сотрудничество UCNτ; Гонсалес, FM; Фрис, Э.М.; Кьюд-Вудс, К.; Бейли, Т.; Блатник, М.; Бруссар, 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 . ПМИД 34723594 . S2CID 235490073 .
- ^ Группа данных о частицах (2020). Нейтрон означает жизнь (Отчет). Обзор физики элементарных частиц. Беркли, Калифорния : Лаборатория Лоуренса Беркли .
- ^ Беринджер, Дж.; и др. ( Группа данных о частицах ) (2012). «Сводка по барионам» (PDF) . Физ. Преподобный Д. 86 : 010001. doi : 10.1103/PhysRevD.86.010001 . S2CID 118588567 .
- ^ Группа данных о частицах (2007). Сводная таблица данных по барионам (PDF) . lbl.gov (Отчет). Лаборатория Лоуренса Беркли . Проверено 16 августа 2012 г.
- ^ 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.
- ^ Перейти обратно: а б с Волчовер, Натали (13 февраля 2018 г.). «Загадка времени жизни нейтрона углубляется, но темной материи не видно» . Журнал Кванта . Проверено 31 июля 2018 г.
- ^ Серебров А.П.; 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 .
- ^ 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 .
- ^ Перейти обратно: а б Московиц, Клара (2014). «Тайна смерти нейтрона поставила физиков в тупик». Природа . дои : 10.1038/nature.2014.15219 . ISSN 1476-4687 . S2CID 123870434 .
- ^ 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 .
- ^ Мумм, Питер (2018). «Решение загадки времени жизни нейтрона». Наука . 360 (6389): 605–606. Бибкод : 2018Sci...360..605M . дои : 10.1126/science.aat7140 . ISSN 0036-8075 . ПМИД 29748273 . S2CID 206667316 .
- ^ Перейти обратно: а б «Учёные-ядерщики рассчитали ценность ключевого свойства, которое приводит к распаду нейтрона» . Брукхейвенская национальная лаборатория (пресс-релиз). 30 мая 2018 года . Проверено 31 июля 2018 г.
- ^ «Как долго живет нейтрон?» . Калифорнийский технологический институт . 13 октября 2021 г. Проверено 14 октября 2021 г.
- ^ Перейти обратно: а б 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 . дои : 10.1103/PhysRevC.104.045501 . S2CID 226955795 .
- ^ Анонимно (27 ноября 2013 г.). «Расхождение во времени жизни нейтрона все еще не решено» . Физика . 6 . Бибкод : 2013PhyOJ...6S.150. . дои : 10.1103/Physics.6.s150 .
- ^ 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 .
- ^ Хирота, К; Итикава, Г; Иеки, С; Ино, Т; 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 .
- ^ «KEK решает загадку времени жизни нейтрона» . ЦЕРН Курьер . 2 июля 2021 г. Проверено 2 декабря 2021 г.
Библиография
[ редактировать ]- Ерозолимский, Б.Г. (1975). «Бета-распад нейтрона» Бета-распад нейтрона [Neutron beta decay]. Успехи Физических Наук Успехи физических наук . 116 (1): 145–164. дои : 10.3367/УФНр.0116.197505е.0145 .