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 Ковена–Райнеса 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

Індуковані антинейтрино

Зворотний бета-розпад протікає як

ν
_e + p → e⁺
+ n,^[2]^[3]^[4]

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

$E vis = 511 keV + 511 keV + E ν e - 1806 keV = E ν e - 784 keV$ ,^[5]

де 511 кеВ — енергія спокою електронів і позитронів, $E vis$ — 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

Іншим різновидом зворотного бета-розпаду є реакція

ν
_e + n → e⁻
+ p

Експеримент Homestake використовував реакцію

\mathrm {\nu _{e}+\ ^{37}Cl\longrightarrow \ ^{37}Ar+e^{-}}

для виявлення сонячних нейтрино.

Індукований електроном

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

Рідкий сцинтиляторний детектор антинейтрино Kamioka^[en]

Примітки

↑ 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.