БЕ́ТА-РАСПА́Д НЕЙТРО́НА

БЕ́ТА-РАСПА́Д НЕЙТРО́НА, пре­вра­ще­ние сво­бод­но­го ней­тро­на $n$ в про­тон $p$, элек­трон $\text e^–$ и элек­трон­ное ан­ти­ней­три­но $ν͂_\text e$, вы­зы­вае­мое сла­бым взаи­мо­дей­ст­ви­ем: $n \to p + \text e^–+ν͂_\text e$. Энер­гия, вы­сво­бо­ж­дае­мая в этом про­цес­се, со­став­ля­ет 783 кэВ; она рас­пре­де­ля­ет­ся в осн. ме­ж­ду раз­ле­таю­щи­ми­ся в раз­ные сто­ро­ны элек­тро­ном и ан­ти­ней­три­но, а про­тон уно­сит от 0 до 751 эВ.

Пер­вые опы­ты, в ко­то­рых об­на­ру­же­но су­ще­ст­во­ва­ние Б.-р. н. и по­лу­че­ны пер­вые оцен­ки вре­ме­ни жиз­ни ней­тро­на (т. е. вре­ме­ни, в те­че­ние ко­то­ро­го чис­ло ней­тро­нов убы­ва­ет в $e$ раз), бы­ли сде­ла­ны А. Снел­лом (США), Г. Роб­со­ном (Ка­на­да) и П. Е. Спи­ва­ком (СССР) в кон. 1940-х гг., ко­гда поя­ви­лись ядер­ные ре­ак­то­ры с ин­тен­сив­ны­ми по­то­ка­ми ней­тро­нов. В этих опы­тах из­ме­рялось чис­ло про­то­нов или элек­тро­нов, вы­ле­таю­щих из вы­де­лен­ной об­лас­ти ней­трон­но­го пуч­ка, и чис­ло ней­тро­нов в этой об­лас­ти. С тех пор изу­че­ние Б.-р. н. – про­цес­са, в ко­то­ром свой­ст­ва сла­бо­го взаи­мо­дей­ст­вия про­яв­ля­ют­ся прак­ти­че­ски в чис­том ви­де, – ин­тен­сив­но про­дол­жа­ет­ся.

Совр. тео­рия эле­мен­тар­ных час­тиц (т. н. стан­дарт­ная мо­дель) рас­смат­ри­ва­ет этот про­цесс как ре­зуль­тат пре­вра­ще­ния од­но­го из двух $d$-квар­ков, вхо­дя­щих в со­став ней­тро­на и об­ла­даю­щих от­ри­ца­тель­ным за­ря­дом, рав­ным ¹/₃ за­ря­да элек­тро­на, в $u$-кварк с за­ря­дом +²/₃ за­ря­да элек­тро­на. При этом воз­ника­ет час­ти­ца – пе­ре­нос­чик сла­бо­го вза­и­мо­дей­ст­вия – век­тор­ный $W^–$-бо­зон, ко­то­рый прак­ти­че­ски мгно­вен­но рас­па­да­ет­ся на элек­трон и ан­ти­ней­три­но. Т. о., схе­ма про­цес­са рас­па­да та­кая: $$d→u+W^{–}\ _↘^↗ \ _{ν͂_\text e}^{\text e^-}$$

Осн. ве­ли­чи­на­ми, оп­ре­де­ляю­щи­ми Б.-р. н., яв­ля­ют­ся вре­мя жиз­ни ней­тро­на $τ_\text n$ и че­ты­ре кон­стан­ты (уг­ло­вые кор­ре­ля­ции), ха­рак­те­ри­зую­щие за­ви­си­мо­сти ве­ро­ят­но­сти рас­па­да от: 1) уг­ла ме­ж­ду на­прав­ле­ния­ми вы­ле­та элек­тро­на и ан­ти­ней­три­но с им­пуль­са­ми $\boldsymbol p_\text e$ и $\boldsymbol p_{ν͂_\text e}$, 2) уг­ла ме­ж­ду $\boldsymbol p_\text e$ и спи­ном ней­тро­на $\boldsymbol \sigma_\text n$, 3) уг­ла ме­ж­ду $\boldsymbol p_{ν͂_\text e}$ и $\boldsymbol \sigma_\text n$ и 4) уг­ла ме­ж­ду нор­ма­лью к плос­ко­сти рас­па­да и $\boldsymbol \sigma_\text n$. Вто­рая и тре­тья уг­ло­вые кор­ре­ля­ции на­ру­ша­ют не­зыб­ле­мый в клас­сич. фи­зи­ке за­кон со­хра­не­ния про­стран­ст­вен­ной чёт­но­сти (не­за­ви­си­мость за­ко­нов при­ро­ды от зер­каль­но­го от­ра­же­ния ко­ор­ди­нат), а по­след­няя, ес­ли бы бы­ла об­на­ру­же­на, оз­на­ча­ла бы на­ру­ше­ние ин­ва­ри­ант­но­сти за­ко­нов при об­ра­ще­нии вре­ме­ни.

К нач. 21 в. осу­ще­ст­в­ле­но бо­лее 25 из­ме­ре­ний вре­ме­ни жиз­ни ней­тро­на разл. ме­то­да­ми. В ре­зуль­та­те ус­та­нов­ле­но, что ср. вре­мя жиз­ни ней­тро­на $τ_\text n=$ 885,7±0,7 с. Наи­бо­лее точ­ные зна­че­ния $τ_\text n$ бы­ли по­лу­че­ны ме­то­дом хра­не­ния ульт­ра­хо­лод­ных ней­тро­нов, ко­то­рые мо­гут дол­го на­хо­дить­ся в замк­ну­тых объ­ё­мах, ог­ра­ни­чен­ных сла­бо по­гло­щаю­щи­ми стен­ка­ми или спец. кон­фи­гу­ра­ци­я­ми маг­нит­но­го по­ля. При этом не­по­сред­ст­вен­но из­ме­ря­лось убы­ва­ние чис­ла ульт­ра­хо­лод­ных ней­тро­нов со вре­ме­нем.

Ре­зуль­та­ты из­ме­ре­ний кон­стант уг­ло­вых кор­ре­ля­ций на современном уров­не точ­но­сти экс­пе­ри­мен­та не про­ти­во­ре­чат тео­рии. Тем не ме­нее по­пыт­ки об­на­ру­жить к.-л. эф­фек­ты, ко­то­рые сви­де­тель­ст­во­ва­ли бы о не­об­хо­ди­мо­сти вы­хо­да за пре­де­лы стан­дарт­ной мо­де­ли, про­дол­жа­ют­ся.

Даль­ней­шее уточ­не­ние вре­ме­ни жиз­ни ней­тро­на и кон­стант уг­ло­вых кор­ре­ля­ций важ­но так­же для ас­т­ро­фи­зи­ки и кос­мо­ло­гии: эти дан­ные ис­поль­зу­ют­ся в тео­рии эво­лю­ции Все­лен­ной по­сле Боль­шо­го взры­ва и в опи­са­нии про­цес­сов, иду­щих внут­ри звёзд и оп­ре­де­ляю­щих их энер­ге­ти­ку.