Распад нейтрона объясняется существованием. Нейтроны распадаются и с излучением фотонов. Квантовые пульсации и связь «на дефекте масс»

Экспериментально обнаружен новый тип распада нейтрона — радиационный бета-распад. Это открытие стало возможным благодаря развитию детекторов частиц низкой энергии.

Жизнь большинства известных на сегодня элементарных частиц ярка и быстротечна. Родившись в реакции столкновения протонов или электронов вместе с разнообразными собратьями, они успевают пролететь микроскопическое расстояние и тут же распадаются на другие частицы. Конечные состояния их распада (как говорят физики, каналы распада ) могут быть самые разнообразные; главное — чтобы не нарушились фундаментальные законы физики (законы сохранения заряда, энергии и т. д.). У некоторых частиц таких каналов распада известно уже более ста.

Лишь небольшое число частиц живет достаточно долго, чтобы вступить, скажем так, в непосредственный контакт с окружающим миром. За время своей жизни они успевают пролететь существенную дистанцию: сантиметры, метры, и совсем уж в редких случаях — километры, но и они, по человеческим меркам, распадаются очень быстро — за какие-то доли секунды.

И вот, после более чем полувековой истории изучения этой частицы, физики, похоже, смогли обнаружить второй тип распада нейтрона . В препринте российско-бельгийско-немецкой группы исследователей nucl-ex/0512001 сообщается об успешном наблюдении радиационного бета-распада нейтрона, т. е. его распада на протон, электрон, антинейтрино и фотон . Зарегистрировать такой распад удалось с помощью техники тройного совпадения: одновременного вылета электрона и фотона и измерения импульса отдачи, получаемого протоном.

Вообще говоря, для теоретиков это открытие не является сюрпризом. Известно, что во всех типах реакций с заряженными частицами (а протон и электрон электрически заряжены) могут вылетать и фотоны, «в нагрузку» к остальным частицам. Однако наблюдение этого распада в случае нейтрона оказалась очень сложной с технической точки зрения задачей. Ведь все вылетающие частицы имеют очень небольшие энергии, и поэтому их трудно «уловить» детекторами.

Предыдущая попытка той же самой группы в 2002 году найти этот распад окончилась неудачей: точности регистрирующей аппаратуры не хватало для его обнаружения. Сейчас же, после апгрейда детекторов и улучшения процедуры обработки данных, исследователи наконец-то обнаружили, что в среднем в одном из трехсот случаев свободные нейтроны предпочитают распадаться с испусканием фотона.

Точность проведенного эксперимента пока невелика, и может статься (хотя вероятность этого мала), что весь обнаруженный «сигнал» — это лишь результат случайного наложения фоновых процессов. Однако авторы замечают, что возможно дальнейшее усовершенствование методики, которое позволит достичь 10-процентной точности измерения вероятности этого распада.

Протон-нейтронная модель ядра вполне удовлетворяет физиков и по сей день считается лучшей. Тем не менее, на первый взгляд она вызывает некоторые сомнения. Если атомное ядро состоит только из протонов и нейтронов, снова возникает вопрос о том, как могут вылететь из него отрицательно заряженные электроны в виде?-частиц. А что если электронов в ядре нет и они образуются в момент распада? Применим законы сохранения в поисках правильного решения.

Образование электрона означает возникновение отрицательного электрического заряда. Но по закону сохранения электрического заряда отрицательный заряд не может образоваться, пока одновременно не возникнет положительный. Однако ни одна положительно заряженная частица не вылетает из ядра вместе с?-частицей следовательно, такая частица должна остаться внутри ядра. Известно, что внутри ядра существует одна-единственная положительно заряженная частица - протон. Из всего сказанного следует, что, когда из ядра вылетает электрон, внутри ядра образуется протон. Перейдем к закону сохранения энергии. Протон обладает массой, и если он образуется, где-то в другом месте должна исчезнуть масса. Во всех ядрах, кроме водорода-1 присутствуют нейтроны. Будучи незаряженным, нейтрон появляется или исчезает, не нарушая закон сохранения электрического заряда. Следовательно, при излучении?-частицы внутри ядра исчезает нейтрон и одновременно возникает протон (рис. 4). Другими словами, нейтрон превращается в протон, испуская при этом электрон. Нарушение закона сохранения энергии не наблюдается, так как нейтрон чуть-чуть тяжелее протона. Протон и электрон вместе имеют массу 1,008374 по шкале атомных весов, а масса нейтрона равна 1,008665. При превращении нейтрона в электрон и протон масса 0,00029 «исчезает». В действительности она превращается в кинетическую энергию вылетающей?-частицы, равную примерно 320 кэв.

Рис. 4. Излучение?-частицы.

Такое объяснение кажется удовлетворительным, поэтому подведем итог, используя по возможности простую систему символов. Обозначим нейтрон n, протон p + , электрон е — и запишем уравнение излучения?-частицы:

n > р + + е — .

Наши рассуждения только косвенно отражают то, что происходит внутри ядра. В действительности нельзя заглянуть внутрь ядра и увидеть, как протон превращается в нейтрон, когда вылетает заряженный электрон. По крайней мере, до сих пор нельзя. А можно ли наблюдать отдельные нейтроны в свободном состоянии? Будут ли они, так сказать, на наших глазах превращаться в протоны и испускать быстрые электроны?

В 1950 году физикам удалось, наконец, получить ответ. Свободные нейтроны время от времени распадаются и превращаются в протоны, причем происходит это не часто. Каждый раз, когда нейтрон претерпевает такое изменение, излучается электрон.

Нейтроны существуют в свободном состоянии до тех пор, пока не произойдет распад, и вопрос о том, как долго длится этот период, очень важен. Когда конкретно нейтрон претерпит радиоактивный распад, - сказать невозможно. Процесс этот носит случайный характер. Один нейтрон существует, не распадаясь, одну миллионную долю секунды, другой - пять недель, третий - двадцать семь миллиардов лет. Тем не менее, для большого количества частиц одного типа с достаточной степенью точности можно предсказать, когда распадется определенный процент их. (Аналогичным образом страховой статистик не может предсказать, как долго будет жить отдельный человек, но для большой группы людей определенного возраста, профессии, места жительства т. д. со значительной точностью он может предсказать, через сколько времени половина из них умрет.)

Время, в течение которого распадается половина частиц данного типа, называют обычно периодом полураспада частицы. Этот термин был введен Резерфордом в 1904 году. Каждый вид частиц имеет свой собственный характерный период полураспада. Например, период полураспада урана-238 4,5·10 9 лет, тория-232 гораздо больше - 1,4·10 10 лет. Поэтому уран и торий до сих пор встречаются в значительных количествах в земной коре, несмотря на то что в каждый момент некоторые из их атомов распадаются. В течение всей пятимиллиардной истории Земли распалась только половина запасов урана-238 и гораздо меньше половины запасов тория-232.

Некоторые радиоактивные ядра гораздо менее стабильны. Например, когда уран-238 излучает?-частицу, он превращается в торий-234. Период полураспада тория-234 только 24 дня, поэтому в земной коре имеются лишь следы этого элемента. Он очень медленно образуется из урана-238 и, образовавшись, очень быстро распадается.

Распадаясь, торий-234 излучает?-частицу. Внутри ядра тория нейтрон превращается в протон. Это превращение тория-234 происходит с такой скоростью, что период полураспада равен двадцати четырем дням, В других радиоактивных изотопах нейтроны гораздо медленнее превращаются в протоны. Например, калий-40 излучает?-частицы с периодом полураспада 1,3·10 9 лет. Некоторые изотопы вовсе не подвержены радиоактивному распаду. Так, в ядрах атомов кислорода-16, насколько известно, ни один нейтрон сам по себе не превращается в протон, т. е. период полураспада бесконечен. Однако нас больше всего интересует период полураспада свободного нейтрона. Свободный нейтрон не окружен другими частицами, которые делали бы его более или менее стабильным, удлиняя или укорачивая его период полураспада, т. е. в случае свободного нейтрона мы имеем, так сказать, неискаженный период полураспада. Оказывается, он равен примерно двенадцати минутам, следовательно, половина из триллиона нейтронов превращается в протоны и электроны в конце каждой двенадцатой минуты.

Позитронный распад

Двойной электронный распад

Электронный распад

При электронном распаде ядро испускает электрон и электронное антинейтрино . Так как при электронном распаде образуется более двух частиц, то спектр энергий электронов оказывается непрерывным . При этом энергия отдельного электрона непредсказуема. Можно определить только максимальную энергию электрона. Эта энергия равна энергии распада. Электронный распад возникает у нейтроноизбыточных ядер с энергией распада больше нуля. При электронном распаде дочернее ядро образуется не обязательно в основном состоянии.

В достаточно редких случаях энергетически возможен распад с одновременным вылетом двух электронов. Этот процесс возможен при условии, что масса ядра m (A ,Z +1), которое могло бы возникнуть при электронном распаде, оказывается больше массы ядра m (A , Z ), а для массы ядра m (A , Z +2) выполняется условие m (A , Z )> m (A , Z +2)+2m e c 0 2 .

Анализ показывает, что в природе существуют десятки ядер, которые способны к двойному электронному распаду.

Позитронный распад возникает у нейтронодефицитных ядер . По всем своим свойствам позитронный распад является полной аналогией электронного распада . Однако, если электронный распад возможен только у нейтроноизбыточных ядер, то позитронный распад возможен только у ядер с избытком протонов. Спектры электронов и позитронов подобны, но между электроном и ядром существует кулоновское притяжение, а между позитроном и ядром - кулоновское отталкивание. Поэтому спектр позитронов оказывается смещенным в сторону больших энергий.

При достаточно больших энергиях возбуждения ядро может испускать нейтроны. При испускании нейтронов Δ N =1, Δ A =1. Энергетически нейтронный распад возможен, если энергия возбуждения ядра будет больше энергии связи нейтрона в ядре . Экспериментально показано, что нейтронный распад происходит в ядре Li с уровней энергии с энергией 3,21 МэВ (513,6 фДж), 6,53 МэВ (1044,8 фДж). В целом же можно считать, что в области средних масс для нейтронного распада необходимы энергии возбуждения около 9 МэВ (1440 фДж).

Спектр энергии испускаемых нейтронов оказывается непрерывным . Очевидно, что процесс нейтронного распада облагается для ядра избытком нейтронов . Вместе с тем, данные о массах ядра вроде бы указывают не то, что при любом избытке нейтронов, энергия связи нейтронов остается положительной. Следствием этого является невозможность нейтронного распада из основного состояния ядра.

Иногда после бета - распада образовавшееся ядро, оставшееся возбужденным, распадается дальше с испусканием нейтрона. Энергия возбуждения при этом уносится вылетающими нейтронами. Такие нейтроны называютсязапаздывающими. Запаздывание процесса последующего нейтронного распада связано с медлительностью предыдущего бета - распада. Нейтронный распад происходит с очень малым периодом полураспада.

Физики из Калифорнийского университета в Сан-Диего предложили объяснить с помощью темной материи расхождение между «бутылочными» и «пучковыми» экспериментами по определению времени жизни свободного нейтрона. Для этого около одного процента распадов нейтронов должно содержать в качестве конечного продукта частицу темной материи, масса которой практически совпадает с массой протона. Статья опубликована в Physical Review Letters , кратко о ней сообщает Physics .

В связанном состоянии (внутри атомного ядра) нейтроны могут жить неограниченно долго, однако свободные нейтроны быстро распадаются. Как правило, продуктами такого распада выступает протон, электрон и электронное антинейтрино n → p + e − + ν e * (так называемый ), хотя Стандартная модель разрешает и более экзотические процессы, например, радиативный бета-распад или распад с образованием атома водорода. Теоретические оценки на время жизни свободного нейтрона, распадающегося по такому каналу, существенно зависят от величины константы связи аксиального вектора с обычным (axial-vector to vector coupling ratio), которая измерена с относительной погрешностью около 0,2 процента. Это мешает точно оценить время жизни нейтрона. В настоящее время теоретические расчеты предсказывают продолжительность жизни от 875 до 891 секунды, то есть порядка 15 минут.

С другой стороны, время жизни нейтрона можно измерить напрямую, причем сразу двумя легко реализуемыми на практике способами. В первом типе экспериментов ученые охлаждают частицы до низкой температуры, помещают их в гравитационную ловушку , напоминающую по своей форме вытянутую бутылку, и измеряют, как число нейтронов в ловушке N зависит от времени. Сравнивая затем измеренную экспериментально зависимость с экспоненциальным законом N ~ exp(−t /τ), можно найти характерное время жизни нейтрона τ = τ бутылка. Во втором типе экспериментов физики получают пучок нейтронов и измеряют, сколько в нем содержится протонов, образовавшихся в результате бета-распада. Это позволяет определить скорость распада , а следовательно, и его характерное время, совпадающее со временем жизни нейтрона τ = τ пучок.

Проблема заключается в том, что результаты измерений, выполненных различными способами, отличаются почти на десять секунд - в то время как бутылочные эксперименты дают значение τ = 879,6±0,6 секунд, эксперименты с пучками приводят к заметно большему значению τ = 888±2 секунды. Таким образом, расхождение между этими результатами достигает 4 . Причинами подобного расхождения могут быть как систематические ошибки, упущенные из виду сразу несколькими группами экспериментаторов, так и фундаментальные механизмы, указывающие на физику за пределами Стандартной модели.

Физики Бартош Форнал (Bartosz Fornal) и Бенджамин Гринштейн (Benjamín Grinstein) предлагают объяснить расхождение между результатами различных экспериментов с помощью . В самом деле, в «пучковом» способе предполагается, что в результате распада сто процентов нейтронов превращается в протоны плюс еще какие-нибудь менее массивные частицы (фотоны, нейтрино и так далее). Если же небольшая часть этих распадов будет происходить по «невидимому» каналу, то есть будет содержать в качестве конечных продуктов частицу темной материи, очень слабо взаимодействующую с веществом, то скорость распада и рассчитанное на ее основе время жизни надо будет немного подкорректировать. Грубо говоря, при наличии «невидимого» канала скорость распада занижается, и экспериментаторам кажется, будто нейтроны живут немного дольше. Если точнее, истинное время жизни можно восстановить, если умножить время τ пучок на отношение Br между числом реакций с участием частиц Стандартной модели и полным числом реакций (физики называют такое отношение «коэффициентом ветвления» , branching ratio). Чтобы увязать результаты «бутылочных» и «пучковых» экспериментов, отношение должно быть примерно равно Br ≈ 0,99, то есть около одного процента распадов должны идти по «невидимому» каналу.

Ученые предлагают два возможных канала распада с участием частиц темной материи. Один из них «невидим» полностью (включает в качестве конечных продуктов только частицы темной материи), а другой «невидим» только частично, то есть помимо массивной частицы темной материи содержит сравнительно легкие частицы Стандартной модели - фотоны, электроны, позитроны и так далее. К сожалению, при введении в теорию подобных каналов становится возможным распад протона, который на практике не наблюдается ; тем не менее, физики показали, что такие распады будут запрещены, если масса «невидимой» частицы будет лежать в диапазоне от 937,9 до 939,6 мегаэлектронвольт. Кроме того, дальнейший распад частицы с образованием протона будет невозможен, если ее масса будет меньше, чем 938,8 мегаэлектронвольт. При таком условии время жизни образовавшейся частицы будет довольно большим, что делает ее хорошим кандидатом на роль частицы темной материи.

«Невидимый» распад нейтрона на частицы темной материи

B. Fornal & B. Grinstein / Phys. Rev. Lett.

«Частично невидимый» распад нейтрона на частицу темной материи и фотон

B. Fornal & B. Grinstein / Phys. Rev. Lett.

Наконец, физики более подробно изучили каждый из двух возможных каналов и уточнили параметры частиц, которые в них образуются. Так, например, энергия фотонов, которые рождаются наряду с долгоживущими частицами темной материи в «частично невидимом» канале, лежит в диапазоне от 0,782 до 1,664 мегаэлектронвольт, причем фотоны должны быть монохроматичны (то есть их энергия во всех распадах одинакова). Если же требование долгого времени жизни с частицы снять, нижняя граница на энергию фотонов исчезнет.

Хотя статья физиков в Physical Review Letters вышла только на прошлой неделе, на сайте препринтов arXiv.org она была опубликована еще 3 января 2018 года. Поэтому несколько групп ученых уже успели применить идеи Форнала и Гринштейна в своей работе. В частности, группа исследователей из Америки и Франции уже попытались обнаружить фотоны, которые рождаются в результате «частично невидимых» распадов нейтронов, просканировав диапазон энергий от 0.782 до 1.664 мегаэлектронвольт, - однако им так и не удалось зарегистрировать заметного сигнала, что исключает образование долгоживущих частиц темной материи в ходе распадов. Другие группы рассмотрели , как «невидимые» распады будут сказываться на эволюции нейтронных звезд - оказалось, что если бы такие распады действительно происходили, масса звезд быстро бы уменьшалась. Это противоречит наблюдениям астрономов; следовательно, в нейтронных звездах «невидимые» распады должны быть запрещены. Наконец, еще одна группа ученых показала , что аномально высокое содержание атомов 10 Be в продуктах распада 11 Be можно объяснить с помощью тех же самых механизмов, что и при распаде нейтрона.

Пока что ученым так и не удалось поймать в прямом эксперименте частицы темной материи, так что все свидетельства в пользу ее существования носят исключительно гравитационный характер. Вместо этого физики установили очень жесткие ограничения на сечение взаимодействия вимпов с веществом - так, наибольшее возможное значение этого сечения сейчас величиной порядка 10 −45 квадратных сантиметров. Тем не менее, исследователи не теряют надежды на успех - продолжают существующие экспериментальные установки, новые типы детекторов, ищут частицы темной материи других видов (например, или ), а также альтернативные способы детектирования частиц.

Дмитрий Трунин

Распад нейтрона

Протон-нейтронная модель ядра вполне удовлетворяет физиков и по сей день считается лучшей. Тем не менее, на первый взгляд она вызывает некоторые сомнения. Если атомное ядро состоит только из протонов и нейтронов, снова возникает вопрос о том, как могут вылететь из него отрицательно заряженные электроны в виде?-частиц. А что если электронов в ядре нет и они образуются в момент распада? Применим законы сохранения в поисках правильного решения.

Образование электрона означает возникновение отрицательного электрического заряда. Но по закону сохранения электрического заряда отрицательный заряд не может образоваться, пока одновременно не возникнет положительный. Однако ни одна положительно заряженная частица не вылетает из ядра вместе с?-частицей следовательно, такая частица должна остаться внутри ядра. Известно, что внутри ядра существует одна-единственная положительно заряженная частица - протон. Из всего сказанного следует, что, когда из ядра вылетает электрон, внутри ядра образуется протон. Перейдем к закону сохранения энергии. Протон обладает массой, и если он образуется, где-то в другом месте должна исчезнуть масса. Во всех ядрах, кроме водорода-1 присутствуют нейтроны. Будучи незаряженным, нейтрон появляется или исчезает, не нарушая закон сохранения электрического заряда. Следовательно, при излучении?-частицы внутри ядра исчезает нейтрон и одновременно возникает протон (рис. 4). Другими словами, нейтрон превращается в протон, испуская при этом электрон. Нарушение закона сохранения энергии не наблюдается, так как нейтрон чуть-чуть тяжелее протона. Протон и электрон вместе имеют массу 1,008374 по шкале атомных весов, а масса нейтрона равна 1,008665. При превращении нейтрона в электрон и протон масса 0,00029 «исчезает». В действительности она превращается в кинетическую энергию вылетающей?-частицы, равную примерно 320 кэв.

Рис. 4. Излучение?-частицы.

Такое объяснение кажется удовлетворительным, поэтому подведем итог, используя по возможности простую систему символов. Обозначим нейтрон n, протон p + , электрон е - и запишем уравнение излучения?-частицы:

n ? р + + е - .

Наши рассуждения только косвенно отражают то, что происходит внутри ядра. В действительности нельзя заглянуть внутрь ядра и увидеть, как протон превращается в нейтрон, когда вылетает заряженный электрон. По крайней мере, до сих пор нельзя. А можно ли наблюдать отдельные нейтроны в свободном состоянии? Будут ли они, так сказать, на наших глазах превращаться в протоны и испускать быстрые электроны?

В 1950 году физикам удалось, наконец, получить ответ. Свободные нейтроны время от времени распадаются и превращаются в протоны, причем происходит это не часто. Каждый раз, когда нейтрон претерпевает такое изменение, излучается электрон.

Нейтроны существуют в свободном состоянии до тех пор, пока не произойдет распад, и вопрос о том, как долго длится этот период, очень важен. Когда конкретно нейтрон претерпит радиоактивный распад, - сказать невозможно. Процесс этот носит случайный характер. Один нейтрон существует, не распадаясь, одну миллионную долю секунды, другой - пять недель, третий - двадцать семь миллиардов лет. Тем не менее, для большого количества частиц одного типа с достаточной степенью точности можно предсказать, когда распадется определенный процент их. (Аналогичным образом страховой статистик не может предсказать, как долго будет жить отдельный человек, но для большой группы людей определенного возраста, профессии, места жительства т. д. со значительной точностью он может предсказать, через сколько времени половина из них умрет.)

Время, в течение которого распадается половина частиц данного типа, называют обычно периодом полураспада частицы. Этот термин был введен Резерфордом в 1904 году. Каждый вид частиц имеет свой собственный характерный период полураспада. Например, период полураспада урана-238 4,5·10 9 лет, тория-232 гораздо больше - 1,4·10 10 лет. Поэтому уран и торий до сих пор встречаются в значительных количествах в земной коре, несмотря на то что в каждый момент некоторые из их атомов распадаются. В течение всей пятимиллиардной истории Земли распалась только половина запасов урана-238 и гораздо меньше половины запасов тория-232.

Некоторые радиоактивные ядра гораздо менее стабильны. Например, когда уран-238 излучает?-частицу, он превращается в торий-234. Период полураспада тория-234 только 24 дня, поэтому в земной коре имеются лишь следы этого элемента. Он очень медленно образуется из урана-238 и, образовавшись, очень быстро распадается.

Распадаясь, торий-234 излучает?-частицу. Внутри ядра тория нейтрон превращается в протон. Это превращение тория-234 происходит с такой скоростью, что период полураспада равен двадцати четырем дням, В других радиоактивных изотопах нейтроны гораздо медленнее превращаются в протоны. Например, калий-40 излучает?-частицы с периодом полураспада 1,3·10 9 лет. Некоторые изотопы вовсе не подвержены радиоактивному распаду. Так, в ядрах атомов кислорода-16, насколько известно, ни один нейтрон сам по себе не превращается в протон, т. е. период полураспада бесконечен. Однако нас больше всего интересует период полураспада свободного нейтрона. Свободный нейтрон не окружен другими частицами, которые делали бы его более или менее стабильным, удлиняя или укорачивая его период полураспада, т. е. в случае свободного нейтрона мы имеем, так сказать, неискаженный период полураспада. Оказывается, он равен примерно двенадцати минутам, следовательно, половина из триллиона нейтронов превращается в протоны и электроны в конце каждой двенадцатой минуты.

Послеобеденные замечания о природе нейтрона Ж. Вервье Речь при закрытии Антверпенской конференции 1965 г. В ходе настоящей конференции мы слышали много интересных суждений об объекте, называемом «Нейтрон», от различных ученых из самых разных стран. Мы должны, однако,