Почему бета-распад нейтрона асимметричен?

Question

Почему бета-распад нейтрона асимметричен?

Физика
нейтроны
симметрия
радиация
физика частиц
слабое взаимодействие

Крис

Эксперимент Ву, который первоначально экспериментально показал нарушение четности бета-распада, часто используется для интуитивного объяснения асимметрии распада:

_{27}^{60} Ко \to_{28}^{60} {ни}^{*} + е^{-} + {\bar{ν}}_{е}

${}^{60}_{27}\text{Co} \rightarrow {}^{60}_{28}\text{Ni}^* + e^- + \bar{\nu}_e$

Кобальт имеет $I=+5$ , а у никеля $I=+4$ . Из-за сохранения углового момента электрон и антинейтрино имеют $S=+1/2$ , то есть в том же направлении, что и кобальт. Требование правовинтности антинейтрино (которое мы пока считаем заданным) дает тогда асимметрию в распаде.

Однако, когда я смотрю на распад свободного нейтрона,

н \to п + е^{-} + {\bar{ν}}_{е}

$\mathrm{n}\rightarrow\mathrm{p}+\mathrm{e}^-+\bar{\nu}_e$

Я нахожу, что спин нейтрона и протона равны ( $=1/2$ ). Полный угловой момент можно сохранить, выровняв спины лептонов противоположно друг другу или, как я полагаю, добавив лептонам угловой момент.

Моя проблема здесь в том, что в этом случае нелегко увидеть асимметрию, просто глядя на сохранение импульса. Кажется, что информация о поляризации нейтрона как-то не доносится до лептонов: единственное требование состоит в том, чтобы их $S+L=0$ , что позволяет расположить спины лептонов независимо от нейтрона. Можно также взять, например, распад

_{3}^{8} Ли \to_{4}^{8} {Быть}^{*} + е^{-} + {\bar{ν}}_{е} .

${}^{8}_{3}\text{Li} \rightarrow {}^{8}_{4}\text{Be}^* + e^- + \bar{\nu}_e.$

Здесь у Ли есть $I=2$ и быть $I=2$ , что представляет для меня те же трудности.

Можно ли понять последние случаи просто на основе сохранения углового момента и запрещенной леворукости антинейтрино (аналогично случаю кобальта-60)?

Редактировать:

Большое спасибо за развернутый комментарий!

Я нашел следующую диаграмму в дипломной работе о бета-распаде нейтрона:

Бета-распад нейтрона (Из https://www.physi.uni-heidelberg.de/Publications/dipl_mund.pdf )

По-видимому, вы можете классифицировать распады по тому, распадаются ли они на синглет или триплет лептонов («Zerfall» означает «распад» на немецком языке). Вы можете видеть, что есть канал, который на самом деле чувствителен к исходной поляризации нейтрона: в последнем спин протона переворачивается, но он всегда противоположен нейтрону, лептоны выравниваются с нейтроном. Бета-распад нейтрона, по-видимому, представляет собой смесь всех трех. Это означало бы, что первый канал («Ферми») на самом деле симметричен.

Я думаю, что это также является причиной того, что кто-то говорит о «полной» асимметрии в эксперименте Ву, поскольку она полностью затухает в асимметричном канале. Такие случаи, как нейтрон, могут быть на самом деле менее асимметричными, чем Co60.

грабить

Я не могу сказать, является ли ваше редактирование дополнительным вопросом или частичным ответом. Вам предлагается ответить на свой вопрос, если это возможно, или задать дополнительные вопросы. Возможно, вы прочитали достаточно, чтобы разобрать вики-статью о переходах Ферми (вектор) и переходе Гамова-Теллера (аксиальный вектор) при бета-распаде .

Ответы (1)

Почему бета-распад нейтрона асимметричен?

Я не могу сказать, является ли ваше редактирование дополнительным вопросом или частичным ответом. Вам предлагается ответить на свой вопрос, если это возможно, или задать дополнительные вопросы. Возможно, вы прочитали достаточно, чтобы разобрать вики-статью о переходах Ферми (вектор) и переходе Гамова-Теллера (аксиальный вектор) при бета-распаде .

грабить · Answer 1

Есть несколько различных способов, которыми распад может быть «асимметричным». Это предложение для эксперимента, в настоящее время собирающего данные об асимметрии распада нейтрона, описывает зависимость скорости распада нейтрона от энергии и направления электрона и нейтрино как

\begin{aligned} \frac{г Г}{г Е_{е} г {Ом}_{е} г {Ом}_{ν}} \propto & п_{е} Е_{е} (Е_{0} - Е_{е})^{2} \times \\ \times [1 + а \frac{{\vec{п}}_{е} \cdot {\vec{п}}_{ν}}{Е_{е} Е_{ν}} + А \frac{{\vec{о}}_{н} \cdot {\vec{п}}_{е}}{Е_{е}} + Б \frac{{\vec{о}}_{н} \cdot {\vec{п}}_{ν}}{Е_{ν}} + Д \frac{{\vec{о}}_{н} \cdot ({\vec{п}}_{е} \times {\vec{п}}_{ν})}{Е_{е} Е_{ν}}] \end{aligned}

$\begin{align} \frac{d\Gamma}{dE_e\ d\Omega_e\ d\Omega_\nu} \propto{}& p_e\ E_e\ (E_0-E_e)^2 \times{}\\ &\times\Big[1 + a\frac{\vec p_e\cdot\vec p_\nu}{E_e E_\nu} + A \frac{\vec\sigma_n \cdot \vec p_e}{E_e} + B \frac{\vec\sigma_n \cdot \vec p_\nu}{E_\nu} + D \frac{\vec\sigma_n \cdot \left(\vec p_e\times\vec p_\nu\right)}{E_eE_\nu} \Big] \end{align}$

В этом выражении $d\Gamma$ - дифференциальная скорость затухания, дифференциалы $d\Omega_{(e,\nu)}$ маленькие кусочки телесного угла, $\vec p_{(e,\nu)}$ – импульсы электрона и нейтрино, $E_{(e,\nu)}$ – энергии электрона и нейтрино после распада, $E_0$ - полная энергия распада, а $\vec\sigma_n$ - спин нейтрона перед распадом.

Этот набор корреляций распада и их коэффициентов был впервые записан Джексоном и его сотрудниками в 1950-х годах и, по сути, представляет собой «от чего может зависеть скорость распада? Давайте дадим им имена». Есть некоторые другие коэффициенты корреляции распада, которые не имеют отношения к вашему вопросу. Например, у Джексона был термин $C\ {\vec\sigma_n \cdot\vec p_p}/{E_p}$ зависит от импульса протона после распада, но в системе покоя нейтрона импульс протона подчиняется $\vec p_p + \vec p_e + \vec p_\nu = 0$ и коэффициент затухания $C$ поэтому является некоторой линейной комбинацией $A$ и $B$ . Есть $b$ что не имеет отношения к вашему вопросу, поэтому я его пропустил. Вероятно, есть и другие возможные параметры затухания, которые также не включены в связанное предложение.

То, что вы получили для эксперимента Ву, — это некоторые рассуждения о корреляциях, соответствующих $A$ и $B$ : корреляция между направлением ядерной поляризации и направлением электрона или между ядерной поляризацией и направлением нейтрино. Этот простой анализ не подходит для случая нейтронов по указанным вами причинам, но возможны более сложные анализы. Типичным результатом является то, что коэффициент корреляции $A$ между направлением поляризации нейтрона и направлением, в котором движется электрон, определяется с использованием слабого взаимодействия Стандартной модели как

А "=" - 2 \frac{| λ |^{2} + р е (λ)}{1 + 3 | λ |^{2}}

$A = -2\frac{|\lambda|^2 + \mathrm{Re}(\lambda)}{1 + 3|\lambda|^2}$ где

λ = g_{A} / g_{V}

$\lambda = g_A/g_V$ - отношение аксиально-векторной связи

g_{A}

$g_A$ и вектор связи

g_{V}

$g_V$ в слабом взаимодействии. В расширениях Стандартной модели, где слабое взаимодействие не является чисто

V - A

$V-A$ («vee минус aye», «вектор минус аксиальный вектор»), но также содержит скалярные или тензорные члены, предполагается, что все эти коэффициенты корреляции также сместятся.

Если вас интересуют значения, текущая оценка группы данных о частицах дает $A = -0.1184(10)$ : вероятность испускания электрона с южного полюса нейтрона примерно на двенадцать процентов выше, чем с его северного полюса. Корреляция нейтрино $B$ имеет противоположный знак и значительно больше, $B = +0.9807(30)$ . По-видимому, антинейтрино испускаются почти полностью в том же полушарии, что и северный полюс нейтрона! Кажется, что для этого должен быть хороший анализ маханья руками, но я этого не знаю.

Почему бета-распад нейтрона асимметричен?

Крис

грабить

Ответы (1)

грабить

Почему время жизни (свободного) нейтрона так велико?

Роль W-бозонов в слабом ядерном взаимодействии и бета-распаде

Почему нейтроны в ядре не распадаются?

Почему материя не может аннигилировать сама с собой?

Каково точное значение времени жизни нейтрона?

Устойчиво ли синглетное состояние η′η′\eta ' при сильном ядерном взаимодействии?

Почему у кварков uuu и ddd нет связанных квантовых чисел?

Что происходит в течение 15 минут, необходимых для распада нейтрона?

Какова измеренная скорость распада антинейтронов? / Каково измеренное среднее время жизни антинейтронов?

Что стабилизирует нейтроны от бета-распада в нейтронной звезде?