Desintegración beta de neutrones

Desintegración beta del neutrón  : transformación espontánea de un neutrón libre en un protón con la emisión de una partícula β (electrón) y un antineutrino electrónico :

El espectro de energía cinética del electrón emitido se encuentra en el rango de 0 a 782,318 keV . El tiempo de vida de un neutrón libre es de 880,1 ± 1,1 segundos [1] (correspondiente a una vida media de 611 ± 0,8 s ). Las mediciones precisas de los parámetros de la desintegración beta de los neutrones (tiempo de vida, correlaciones angulares entre los momentos de las partículas y el espín de los neutrones ) son esenciales para determinar las propiedades de la interacción débil .

La desintegración beta de neutrones fue predicha por Frédéric Joliot-Curie en 1934 y descubierta en 1948-1950 de forma independiente por A. Snell , J. Robson y P. E. Spivak.

Canales de descomposición raros

Desintegración beta radiativa del neutrón

Además de la desintegración de un neutrón con la formación de un protón, un electrón y un antineutrino electrónico, también debería ocurrir un proceso más raro con la emisión de un cuántico gamma adicional: desintegración beta  radiativa (es decir, acompañada de radiación electromagnética ). de un neutrón:

La teoría predice que el espectro de rayos gamma emitidos durante la desintegración radiativa de un neutrón debería estar en el rango de 0 a 782 keV y depender de la energía (en primera aproximación) como E - 1 . Desde un punto de vista físico, este proceso es el bremsstrahlung del electrón emergente (y, en menor medida, del protón) [2] .

En 2005, este proceso predicho previamente fue descubierto experimentalmente [3] . Las mediciones en este trabajo mostraron que el canal de decaimiento radiativo se realiza con una probabilidad de 0.32 ± 0.16% a una energía gamma-cuántica E γ > 35 keV . Este resultado fue posteriormente confirmado y significativamente refinado por varios otros grupos experimentales; en particular, la colaboración RDK II encontró [2] que la probabilidad de decaimiento con emisión de rayos gamma es (0.335 ± 0.005 stat ± 0.015 sist )% en E γ > 14 keV y (0.582 ± 0.023 stat ± 0.062 sist )% en 0, 4 keV < mi γ < 14 keV . Esto coincide dentro del error con las predicciones teóricas (0,308% y 0,515%, respectivamente).

Decaimiento beta de un neutrón a un estado ligado

También debe haber un canal para la descomposición de un neutrón libre en un estado ligado: un átomo de hidrógeno .

Este canal se predijo en 1947 [4] , pero aún no se ha observado: a partir de los experimentos solo se sabe que la probabilidad de tal decaimiento es inferior al 3 % ( la vida útil parcial de este canal supera los 3⋅10 4 s ) [ 5] . Teóricamente, la probabilidad esperada de decaimiento en un estado límite con respecto a la probabilidad de decaimiento total es 3.92⋅10 −6 [6] . Para cumplir la ley de conservación del momento angular , un electrón enlazado debe surgir en el estado S (con momento orbital cero), incluso con una probabilidad de ≈84 % en el estado fundamental y 16 % en uno de los estados S excitados. del átomo de hidrógeno [7] . Cuando se desintegra en un átomo de hidrógeno, casi toda la energía de desintegración, igual a 782,33305 keV (excepto por la muy pequeña energía cinética del átomo de retroceso, 325,7 eV [8] , y, en el caso de desintegración en un estado atómico excitado, la energía de excitación, que no exceda los 13,6 eV) es arrastrada por un antineutrino electrónico, y el estado de espín del átomo de hidrógeno resultante está relacionado con la helicidad del antineutrino emitido. Si tomamos la dirección de la cantidad de movimiento del átomo de hidrógeno en el sistema del centro de masa como la dirección positiva del eje z , entonces para las proyecciones s z de los espines de los cuatro fermiones involucrados en la desintegración (el neutrón inicial y el protón, electrón y antineutrino resultantes) son posibles seis configuraciones [9] :

( norte , pag , mi - , ν mi ) : ( ↓↓ ↑↓), (↓↑↓↓), (↑↑↑↓), (↓↓↓↑), (↑↑↓↑), (↑ ↓ ↑↑),

además, las tres primeras están permitidas y las tres últimas prohibidas por el Modelo Estándar, ya que la helicidad del antineutrino en estos casos sería correcta; las probabilidades de formación de las configuraciones 1, 2 y 3 dependen de las constantes de acoplamiento escalares, vectoriales, axiales y tensoriales de la interacción débil (en la teoría V − A estándar, las constantes escalares y tensoriales son iguales a cero; solo superior los límites sobre ellos se establecen experimentalmente) [9] . Por lo tanto, las mediciones de las probabilidades relativas de varios canales de espín de desintegración beta de neutrones en un estado límite pueden proporcionar información sobre la física más allá del modelo estándar (la presencia de corrientes dextrógiras, constantes de acoplamiento escalar y tensorial en la interacción débil) [9] .

Véase también

Notas

  1. ↑ J. Beringer et al. (Grupo de Datos de Partículas), Phys. Rvdo. D86, 010001 (2012) http://pdg.lbl.gov/2012/tables/rpp2012-sum-baryons.pdf Archivado el 12 de mayo de 2013 en Wayback Machine .
  2. ↑ 1 2 Bales M. J. et al. (Colaboración RDK II). Medición de precisión del decaimiento β radiativo del neutrón libre  // Cartas de revisión física  . - 2016. - Vol. 116 , núm. 24 . — Pág. 242501 . — ISSN 0031-9007 . -doi : 10.1103 / PhysRevLett.116.242501 . -arXiv : 1603.00243 . _
  3. ↑ Khafizov RU, Severijns N., Zimmer O., Wirth H.-F., Rich D., Tolokonnikov SV, Solovei VA, Kolhidashvili MR Observación de la descomposición radiactiva de neutrones // Journal of Experimental and Theoretical Physics Letters . - 2006. - vol. 83. - Pág. 366. - ISSN 0021-3640 . -doi : 10.1134/ S0021364006080145 . -arXiv : nucl -ex/0512001 .
  4. ↑ Daudel R., Jean M., Lecoin M. Sur la possibilité d'existence d'un type particulier de radioactivité phénomène de création e  (francés)  // J. Phys. radio. - 1947. - Vol. 8 , libr. 8 _ - pág. 238-243 . -doi : 10.1051/jphysrad : 0194700808023800 . Acceso abierto
  5. ↑ Green K., Thompson D. La descomposición del neutrón en un átomo de hidrógeno  // Journal of Physics G: Nuclear and Particle Physics. - 1990. - T. 16 , núm. 4 . - S. L75-L76 . -doi : 10.1088 / 0954-3899/16/4/001 .
  6. ↑ Faber M. , Ivanov AN , Ivanova VA , Marton J. , Pitschmann M. , Serebrov AP , Troitskaya NI , Wellenzohn M. Continuum-state andbound-state β − -decay rates of the neutron  (inglés)  // Physical Review C.- 2009.- vol. 80 , núm. 3 . — Pág. 035503 . — ISSN 0556-2813 . -doi : 10.1103/ PhysRevC.80.035503 . -arXiv : 0906.0959 . _
  7. ↑ Dubbers D., Schmidt MG El neutrón y su papel en la cosmología y la física de partículas  //  Reseñas de la física moderna. - 2011. - vol. 83 . - P. 1111-1171 . -doi : 10.1103 / RevModPhys.83.1111 . -arXiv : 1105.3694 . _
  8. ↑ Zhang Shuo, Wang Song-Lin, Zhou Jian-Rong, Wu Wen-Tao, Xia Jing-Kai, Zhang Rui-Tian, ​​​​Zhang Le (2022), Propuesta para medir la descomposición de neutrones de dos cuerpos usando un microcalorímetro, arΧiv : 2210.02314 [hep-ex]. 
  9. ↑ 1 2 3 McAndrew J. et al. Decaimiento beta unido del neutrón libre: BoB   // Physics Procedia . - 2014. - Vol. 51 . - P. 37-40 . — ISSN 1875-3892 . -doi : 10.1016/ j.phpro.2013.12.009 .

Literatura

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