бета-распад нейтрона

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):

(1)

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.

Лит.: I)By Ц. С., Mошковский С. А., Бета-распад, пер. с англ., M., 1970; 2) Александров Ю. А., Фундаментальные свойства нейтрона, 2 изд., M., 1982; 3) Ерозолимский Б. Г., Бета-распад нейтрона, "УФН", 1975, т. 116, с. 145. Б. Г. Ерозолимский.

   <<      Предметный указатель      >>