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

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

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]