Зворотний бета-розпад
Зворотний бета-розпад,[1] — це ядерна реакція, яка включає розсіювання електронного антинейтрино на протоні, з утворенням позитрона і нейтрона. Цей процес зазвичай використовується для виявлення електронних антинейтрино в нейтринних детекторах, таких як перша спроба виявлення антинейтрино в нейтринному експерименті Коуена–Рейнса[en] або в нейтринних експериментах, таких як KamLAND[en] і Borexino. Це важливий процес для експериментів із нейтрино низької енергії (< 60 МеВ)[2], таких як дослідження осциляцій нейтрино,[2] реакторних нейтрино, стерильних нейтрино та геонейтрино.[3]
Реакції[ред. | ред. код]
Індуковані антинейтрино[ред. | ред. код]
Зворотний бета-розпад протікає як
де електронне антинейтрино (
ν
e) взаємодіє з протоном (
p) з отриманням позитрона (
e+
) і нейтрона (
n). Реакція зворотного бета-розпаду може бути ініційована лише тоді, коли антинейтрино має кінетичну енергію щонайменше 1,806 МеВ[3][4] (так звана порогова енергія). Ця порогова енергія зумовлена різницею мас між продуктами (
e+
і
n) та реагентами (
ν
e і
p), а також трохи через ефект релятивістської маси[en] на антинейтрино. Більша частина енергії антинейтрино розподіляється на позитрон через його малу масу відносно нейтрона. Позитрон швидко[4] зазнає анігіляції матерії з антиматерією після створення та дає спалах світла з енергією, яка розраховується як
Evis = 511 keV + 511 keV + E
ν
e − 1806 keV = E
ν
e − 784 keV,[5]
де 511 кеВ — енергія спокою електронів і позитронів, Evis — видима енергія реакції, а E
ν
e— кінетична енергія антинейтрино. Після швидкої анігіляції позитрона нейтрон захоплюється елементом детектора, створюючи відкладений спалах 2,22 МеВ, якщо його захоплює протон.[4] Час відкладеного захоплення становить 200—300 мікросекунд після ініціації зворотного бета-розпаду (256 мікросекунд в детекторі Borexino[4]). Часовий і просторовий збіг між швидкою анігіляцією позитронів і відкладеним захопленням нейтронів забезпечує чітку сигнатуру зворотного бета-розпаду у детекторах нейтрино, дозволяючи відрізняти сигнал від фона.[4] Поперечний переріз зворотного бета-розпаду залежить від енергії антинейтрино та елемента захоплення, хоча, як правило, становить близько 10−44 см2 (~аттобарн).[6]
Індукований нейтрино[ред. | ред. код]
Іншим різновидом зворотного бета-розпаду є реакція
ν
e +
n →
e−
+
p
Експеримент Homestake[en] використовував реакцію
для виявлення сонячних нейтрино.
Індукований електроном[ред. | ред. код]
Під час утворення нейтронних зірок або радіоактивних ізотопів, здатних захоплювати електрони, нейтрони утворюються шляхом захоплення електронів:
p +
e−
→
n +
ν
e.
Це схоже на обернений бета-розпад, оскільки протон перетворюється на нейтрон, але реакція індукується захопленням електрона замість антинейтрино.
Див. також[ред. | ред. код]
Примітки[ред. | ред. код]
- ↑ Daya Bay Collaboration; An, F. P.; Balantekin, A. B.; Band, H. R.; Bishai, M.; Blyth, S.; Butorov, I.; Cao, D.; Cao, G. F. (12 лютого 2016). Measurement of the Reactor Antineutrino Flux and Spectrum at Daya Bay. Physical Review Letters. 116 (6): 061801. arXiv:1508.04233. Bibcode:2016PhRvL.116f1801A. doi:10.1103/PhysRevLett.116.061801. PMID 26918980.
- ↑ а б в Vogel, P.; Beacom, J. F. (27 липня 1999). Angular distribution of neutron inverse beta decay. Physical Review D. 60 (5): 053003. arXiv:hep-ph/9903554. Bibcode:1999PhRvD..60e3003V. doi:10.1103/PhysRevD.60.053003.
- ↑ а б в Oralbaev, A.; Skorokhvatov, M.; Titov, O. (1 січня 2016). The inverse beta decay: a study of cross section. Journal of Physics: Conference Series (англ.). 675 (1): 012003. Bibcode:2016JPhCS.675a2003O. doi:10.1088/1742-6596/675/1/012003. ISSN 1742-6596.
- ↑ а б в г д е Bellini, G.; Benziger, J.; Bonetti, S.; Avanzini, M. Buizza; Caccianiga, B.; Cadonati, L.; Calaprice, F.; Carraro, C.; Chavarria, A. (19 квітня 2010). Observation of geo-neutrinos. Physics Letters B. 687 (4–5): 299—304. arXiv:1003.0284. Bibcode:2010PhLB..687..299B. doi:10.1016/j.physletb.2010.03.051.
- ↑ Bellini, G.; Benziger, J.; Bonetti, S.; Avanzini, M. Buizza; Caccianiga, B.; Cadonati, L.; Calaprice, F.; Carraro, C.; Chavarria, A. (15 квітня 2013). Measurement of geo-neutrinos from 1353 days of Borexino. Physics Letters B. 722 (4–5): 295—300. arXiv:1303.2571. Bibcode:2013PhLB..722..295B. doi:10.1016/j.physletb.2013.04.030.
- ↑ Strumia, Alessandro; Vissani, Francesco (3 липня 2003). Precise quasielastic neutrino/nucleon cross-section. Physics Letters B. 564 (1): 42—54. arXiv:astro-ph/0302055. Bibcode:2003PhLB..564...42S. doi:10.1016/S0370-2693(03)00616-6.