Warum ist der Beta-Zerfall eines Neutrons asymmetrisch?

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, wie ein Zerfall "asymmetrisch" sein kann. Dieser Vorschlag für ein Experiment, das derzeit Daten zu Neutronenzerfallsasymmetrien sammelt, beschreibt die Abhängigkeit der Neutronenzerfallsrate von der Energie und Richtung des Elektrons und des Neutrinos

$$\begin{align} \frac{d\Gamma}{dE_e\ d\Omega_e\ d\Omega_\nu} \propto{}& p_e\ E_e\ (E_0-E_e)^2 \times{}\\ &\times\Big[1 + a\frac{\vec p_e\cdot\vec p_\nu}{E_e E_\nu} + A \frac{\vec\sigma_n \cdot \vec p_e}{E_e} + B \frac{\vec\sigma_n \cdot \vec p_\nu}{E_\nu} + D \frac{\vec\sigma_n \cdot \left(\vec p_e\times\vec p_\nu\right)}{E_eE_\nu} \Big] \end{align}$$

In diesem Ausdruck$d\Gamma$ist die differentielle Zerfallsrate, die Differentiale$d\Omega_{(e,\nu)}$sind kleine Stückchen von festen Winkeln,$\vec p_{(e,\nu)}$sind die Elektronen- und Neutrinoimpulse,$E_{(e,\nu)}$sind die Elektronen- und Neutrinoenergien nach dem Zerfall,$E_0$ist die Gesamtenergie im Zerfall, und$\vec\sigma_n$ist der Neutronenspin vor dem Zerfall.

Dieser Satz von Zerfallskorrelationen und ihren Koeffizienten wurde erstmals in den 1950er Jahren von Jackson und Mitarbeitern niedergeschrieben und lautet im Grunde: "Was sind all die Dinge, von denen eine Zerfallsrate abhängen könnte? Geben wir ihnen Namen." Es gibt einige andere Zerfallskorrelationskoeffizienten, die für Ihre Frage nicht relevant sind. Zum Beispiel hatte Jackson eine Amtszeit$C\ {\vec\sigma_n \cdot\vec p_p}/{E_p}$abhängig vom Impuls des Protons nach dem Zerfall, aber im Ruhesystem des Neutrons gehorcht der Impuls des Protons$\vec p_p + \vec p_e + \vec p_\nu = 0$und der Abklingkoeffizient$C$ist daher eine Linearkombination von$A$Und$B$. Da ist ein$b$das ist für deine Frage nicht relevant, also habe ich es weggelassen. Es gibt wahrscheinlich auch einige andere mögliche Zerfallsparameter, die im verlinkten Vorschlag ebenfalls weggelassen werden.

Was Sie für das Wu-Experiment abgeleitet haben, ist eine Argumentation über die entsprechenden Korrelationen$A$Und$B$: Korrelation zwischen der Richtung der Kernpolarisation und der Richtung des Elektrons oder zwischen der Kernpolarisation und der Richtung des Neutrinos. Diese einfache Analyse funktioniert aus den von Ihnen genannten Gründen für den Neutronenfall nicht, aber anspruchsvollere Analysen sind möglich. Ein typisches Ergebnis ist der Korrelationskoeffizient$A$zwischen der Polarisationsrichtung des Neutrons und der Richtung, in die sich das Elektron bewegt, ist unter Verwendung des Standardmodells der schwachen Wechselwirkung durch gegeben

$$A = -2\frac{|\lambda|^2 + \mathrm{Re}(\lambda)}{1 + 3|\lambda|^2}$$ Wo $\lambda = g_A/g_V$ist das Verhältnis der Axialvektorkopplung $g_A$und die Vektorkopplung $g_V$in der schwachen Wechselwirkung. Bei Erweiterungen des Standardmodells kommt die schwache Wechselwirkung nicht rein $V-A$("vee minus aye", "vector minus axial-vector"), aber auch Skalar- oder Tensorterme enthält, wird vorhergesagt, dass sich alle diese Korrelationskoeffizienten ebenfalls verschieben.

Falls Sie neugierig auf Werte sind, gibt die aktuelle Auswertung der Particle Data Group Auskunft$A = -0.1184(10)$: Das Elektron wird mit etwa zwölf Prozent höherer Wahrscheinlichkeit vom Südpol des Neutrons emittiert als vom Nordpol. Die Neutrino-Korrelation$B$hat das entgegengesetzte Vorzeichen und ist viel größer,$B = +0.9807(30)$. Anscheinend werden die Antineutrinos fast vollständig in dieselbe Hemisphäre emittiert wie der Nordpol des Neutrons! Es scheint, als müsste es dafür eine gute Handbewegungsanalyse geben, aber ich weiß es nicht.