В.Т. Вертушков

b -распад поляризованного нейтрона

Процесс распада свободного нейтрона представлен таким образом, что конечные продукты распада возникают как результат последовательных структурных изменений исходных частиц.

 

Планковские частицы и  лишены массы. Массы d-, s-, b- кварков возникают как положительный дефект массы Dm > 0 в процессе взаимного отталкивания одноименно заряженных - и - частиц. При этом, _-частица рассматривается как нейтрино n, а - частицу обозначим как -скварк. Соответственно - это антинейтрино , а  - - антискварк.

Структура кварков:

	- кварк (при расстоянии между и –скварком m);
	импульс нейтрино,
	спин нейтрино (-), определяющий d- кварк;
	-кварк (при m);
	- кварк (при m).
	-, -, - антикварки (соответственно при тех же значениях l между  и - антискварком, что и между и - скварком в d-, s-, b- кварках).
	-, -, - кварки (в зависимости от взаимных расстояний l между , - и – - антискварками).
	-, -, - антикварки

 

Структура нейтрона n, протона p и электрон-позитронной пары e ^–, e⁺ :

Распад нейтрона не является самопроизвольным процессом. Свободный нейтрон неустойчив к действию флуктуирующих в вакууме частиц. Нейтрон распадается с участием вакуумных пар e^–, e⁺ и n, , флуктуации которых возникают внутри нейтрона.

 

Взаимодействуя с кварками нейтрона e^– и e⁺ испускают соответственно n и , образуя векторные бозоны W^– и W⁺. W^– - бозон, поглотив вакуумное нейтрино, переходит в электрон. W⁺- бозон, после образования в нем -кварка, распадается на - антикварк и - кварк. - антикварк, объединившись с одним из  -кварков нейтрона, образует нейтральный пион. -кварк, соединившись с  -кварками, оставшимися от нейтрона, образует протон.

         Большая масса W^– и W⁺ - бозонов появляется в результате внутренней перестройки частиц, оставшихся от e^– и e⁺ после испускания n и . Масса бозонов возникает как положительный дефект массы Dm > 0 при сближении взаимодействующих одноименно заряженных частиц (прежде всего, по-видимому, _-скварков в W^– - бозоне и -антискварков в W⁺ - бозоне). Нейтральный пион образован - кварками, масса каждого из которых в свободном состоянии равна m_d » 7,5 MeV. Масса p° равна m_p » 134,963 MeV. В свободных - кварках расстояние между n и - скварком (а также между  и - антискварком) равна l » 7,49x10^-16m. Простой расчет с использованием закона Кулона. показывает, что в p° расстояние l в 10 раз меньше – l » 8,31 x 10^-17m. Именно на этом расстоянии масса каждого из кварков в p° равна m_p /2. Таким образом, масса p° также возникает, по-видимому, как дефект массы Dm > 0 при сближении одноименно заряженных частиц (взаимодействие масс кварков не учитывается).

         Рассмотрим взаимодействие n  и W^–- бозона в распаде нейтрона. Нейтрино в электроне движется по круговой орбите с радиусом r » 6,57 x 10^–14 m.. Положение n, движущегося в электроне, может быть определено с точностью до размеров электрона, т.е. Dx = 2r » 13,14 x 10^–14m. Тогда неопределенность импульса

Отсюда неопределенность энергии DE в энергии E_n нейтрино равна . Величине (максимальная кинетическая энергия электрона E_max в b - распаде  нейтрона) соответствует значение r¢ » 6,32 x 10^–14 m. На расстоянии r¢ нейтрино первоначально связывается с  -скварком, передавая W^–- бозону энергию и импульс. Значения r¢ некоторых радиоактивных ядер представлены в таблице.

         После испускания нейтрино электроном кинетическая энергия E_w образовавшегося W^–- бозона равна

E_w = E_n + E_V ,

где E_n » 1,22·10²² MeV – среднестатическое значение энергии нейтрино, E_V – кинетическая энергия вакуумного электрона, возникшего внутри нейтрона в результате флуктуации пары e^–, e⁺; E_V – переменная величина. Энергия вакуумного нейтрино E¢_n, взаимодействующего с W^–- бозоном, равна

E¢_n  = E_n + DE,

где E_n » 1,22 x 10²² MeV,  DE = const = 0,782MeV

Таблица 1

 

Импульсы продольно поляризованных n и W^–- бозона направлены навстречу друг другу. Тогда энергия и направление вектора импульса электронов b- распада, образующихся при взаимодействии n и W^–- бозона, определяются соотношением величин E_V (энергия вакуумных электронов) и DE (значение неопределенности в энергии E¢_n   нейтрино).

При 0 ≤ E_V  ≤  DE получим, что при E_V = 0 энергия электрона b- распада равна E_b  = DE – E_V  = 0,782MeV.  При E_V   = DE,  E_b  = DE – E_V  = 0.

При DE ≤ E_V  ≤ 2 DE получим, что при E_V  = DE  E_b  = E_V  – DE = 0.

При  E_V = 2 DE  E_b  = 2DE – DE  =  DE.

Согласно экспериментальным данным число электронов b- распада свободного нейтрона, испускаемых в направлении, противоположном спину нейтрона, на 20%  больше числа электронов, испускаемых вдоль направления спина. Это означает (смотрите взаимодействие n и W^–- бозона в записанном выше процессе распада нейтрона), что в 40% случаев величина E_V  >  DE - электроны движутся вдоль направления спина нейтрона. В 60% случаев E_V  <  DE – электроны движутся в направлении, противоположном спину нейтрона. При этом электроны поворачиваются на 180º. Для сохранения углового момента необходимо принять, что поворот e^–  на 180º сопровождается испусканием фотона круговой поляризации. Процесс распада нейтрона в этом случае имеет вид:

Изложенное представлено на рис. 1 и 2.

Аналогичным образом может быть записан процесс распада протона.

 

Рис. 1 b – спектры распада нейтрона.

1 - DE ≤ E_V ≤ 2 DE, E_b  = E_V  – DE, электроны движутся вдоль направления спина нейтрона.

2 - 0 ≤ E_V ≤ DE, E_b = DE – E_V, электроны движутся в направлении, противоположном спину нейтрона.

 3 - суммарный b – спектр. 

 

 

Рис. 2. Спектр энергий E_V вакуумных электронов, участвующих в распаде нейтрона.

 

Литература

Burgi M.T., Krohn V.E., Novey T.V. et al. II Phys. Rev. 1956. V. 110, P. 1214; 1960. V. 120. P. 1829.