Экспериментальная физика частиц ФИАН / lecture-1-beta-decay
.pdfЛекция 1
Слабые взаимодействия, 4-х фермионный лагранжин, Определение тензорной структуры слабых токов.
Сто лет напряженной работы
γdecays
decays
Монохроматический энергетический спектр!
β decay
Непрерывный энергетический спектр!
обнаружен J. Chadwick, 1913
210 Bi210Po e
L. Meitner, 1922
Ядерные уровни квантованы, распад двухчастичный, следовательно спектр должен быть дискретным!
Попытка спасти закон сохранения импульса, привела к поломке закона сохранения энергии
E. Rutherford: Электроны могут терять энергию, взаимодействуя с другими атомами
Ellis & Wooster (1927): Эксперимент с -
распадом 210Bi
Emax ~ 1000 keV 
<E> ~ 390 keV
Eheat =(350 40) keV
Несохранение энергии?
а еще несохранение углового момента?
Изменение спина ядер целочисленно (к примеру в том же распаде 210Bi спин меняется на 1)! А спин электрона полуцелый.
Гипотеза нейтрино
Dear Radioactive Ladies and Gentlemen,
As the bearer of these lines, to whom I graciously ask you to listen, will explain to you in more detail, how because of the "wrong" statistics of the N and Li6 nuclei and the continuous beta spectrum, I have hit upon a desperate remedy to save the "exchange theorem" of statistics and the law of conservation of energy. Namely, the possibility that there could exist in the nuclei electrically neutral particles, that I wish to call neutrons, which have spin 1/2 and obey the exclusion principle and which further differ from light quanta in that they do not travel with the velocity of light. The mass of the neutrons should be of the same order of magnitude as the electron mass and in any event not larger than 0.01 proton masses. The continuous beta spectrum would then become understandable by the assumption that in beta decay a neutron is emitted in addition to the electron such that the sum of the energies of the neutron and the electron is constant...
I agree that my remedy could seem incredible because one should have seen these neutrons much earlier if they really exist. But only the one who dare can win and the difficult situation, due to the continuous structure of the beta spectrum, is lighted by a remark of my honoured predecessor, Mr Debye, who told me recently in Bruxelles: "Oh, It's well better not to think about this at all, like new taxes". From now on, every solution to the issue must be discussed. Thus, dear radioactive people, look and judge.
W. Pauli (December 4, 1930)
4-х фермионное взаимодействие Ферми
n |
e- |
p |
n |
|
V.Chadwik (1931): открытие нейтрона
Д.Д.Иваненко (1932) протон-нейтронная теория строения ядра. Встречена очень скептически, поскольку не объясняет, откуда берутся электроны, испускаемые ядрами при распаде.
E.Fermi (1934):
n p e ответсвенен за распад ядер;
локальное 4-х фермионное взаимодействие: электрон и нейтрино образуются в момент (и в точке) распада нейтрона
Аналогично КЭД: амплитуда перехода пропорциональна волновым функциям 4 фермионов (а вероятность ~ квадратам амплитуд , т.е. вероятности волновых функций оказаться в одной точке)
Форма спектра
N(E) dE ~ |M|2 d d = (E) dE
Давайте пока положим М (матричный элемент) не зависящим от E
Curie Plot
3H 3 He e :
|(E0 – Ee)|
pe Ee
Ee
Кулоновские поправки (зависят от Z,E)
Возможные типы взаимодействия (нерелятивистскй случай)
Волновые функции фермионов зависят не только от пространственных координат...
... но и от ориентации спина
В нерелятивистском пределе можно придумать 2 вида Лоренцинвариантных взаимодействия:
L~ ( ) ( ) |
(скаляр) |
L ~ ( i ) ( i ) |
(псевдо-вектор) |
Правило отбора Ферми: допустим, что взаимодействие скалярное, тогда спин системы e равен 0 и спин ядра не меняется ( I=0), кроме того e не зависит от пространственных координат и не меняется при пространственной инверсии, значит и четность ядра не меняется
Правило отбора Гамова-Теллера: допустим, что взаимодействие псевдовекторное, тогда спин системы e равен 1 и спин ядра меняется не более чем на 1 ( I=0, 1), при этом переход 0 0 запрещен! Псевдовектор имеет положительную четность, значит и четность ядра не меняется