自由中性子の崩壊

原子核に埋め込まれた中性子は（通常）安定した粒子です。原子核の外側では、自由中性子は不安定で、平均寿命は877.75+0.50
−0.44 [ 1 ^]または879.6 ± 0.8秒^[2]（約14分と37.75秒または39.6秒である。したがって、この過程の半減期（平均寿命との差はln (2) ≈ 0.693）は、611 ± 1秒（約10分、11秒）。^{[3] [4]}

この記事で説明されている中性子のベータ崩壊は、以下のセクションの 4 つの層のファインマン図に示すように、わずかに異なる 4 つの詳細レベルで表記できます 。

ん⁰
→
p⁺
+
e⁻
+
ν
_e

観察しにくい
わ⁻
すぐに電子とそれに対応する反ニュートリノに崩壊します。上記に示した素原子反応は、20世紀前半に初めて理解されたプロセスを表しています。ボソン（
わ⁻
）は急速に消滅したため、ずっと後になって初めて検出されました。その後、ベータ崩壊は弱いボソン（
わ^±
ベータ崩壊は、荷電弱電流と呼ばれることもある。ベータ崩壊では、
わ⁻
中性子の中に隠れているダウンクォークの1つからベータボソンが分離され、ダウンクォークがアップクォークに、そして結果的に中性子が陽子に変わります。次の図は、現在の理解レベルに基づいたベータ崩壊プロセスの概要を示しています。

太字で示されたダウンクォーク（
d
) は名目上はボソン (
わ⁻
) となり、アップクォーク(
あなた
（太字）も表示されます。
あなた

d
太字で示されていないクォーク対は、イベント全体に対して不活性な傍観者です。

いくつかの詳細レベルの図については、以下の「§ 崩壊プロセス」を参照してください。

自由中性子の場合、この過程の崩壊エネルギー（中性子、陽子、電子の静止質量に基づく）は0.782 343  MeV。これは中性子の静止質量と生成物の静止質量の合計との差です。この差は運動エネルギーとして運び去られなければなりません。ベータ崩壊電子の最大エネルギー（ニュートリノが無視できるほど小さな運動エネルギーを受け取るプロセス）は、0.782 ± 0.013 MeV。^{[5]後者の数値は、}ニュートリノの比較的小さな静止質量を決定するのに十分に測定されていない（理論的には最大電子運動エネルギーから減算する必要がある）。さらに、ニュートリノの質量は他の多くの方法によって制限されている。

自由中性子のごく一部（約 1,000 分の 1）は同じ生成物とともに崩壊しますが、放出されたガンマ線の形で余分な粒子が追加されます。

ん⁰
→
p⁺
+
e⁻
+
ν
_e+
γ

このガンマ線は、放出されたベータ粒子（電子）が陽子の電荷と電磁的に相互作用することによって生じる、一種の「内部制動放射線」と考えることができます。このプロセスでは、崩壊エネルギーの一部が光子エネルギーとして運び去られます。このようにして生成されるガンマ線は、原子核内の束縛中性子のベータ崩壊の小さな特徴でもあります。

中性子崩壊のごく一部（百万個中約 4 個）は、いわゆる「二体（中性子）崩壊」です。この崩壊では、陽子、電子、反ニュートリノが通常どおり生成されますが、電子は陽子から脱出するために必要な 13.6 eV のエネルギー（水素のイオン化エネルギー）を獲得できず、そのため、中性水素原子（「二体」の 1 つ）として陽子に結合したままになります。このタイプの自由中性子崩壊では、本質的に、中性子崩壊エネルギーのすべてが反ニュートリノ（もう 1 つの「体」）によって持ち去られます。

自由陽子が中性子（および陽電子とニュートリノ）に変化することは、自由中性子の質量が自由陽子よりも大きいため、エネルギー的に不可能です。ただし、陽子の崩壊を参照してください。

ベータ崩壊過程の理解は数年にわたって発展してきましたが、エンリコ・フェルミと同僚による初期の理解は、下の図の「表面的な」第 1 レベルから始まりました。現在の弱い過程の理解は、図の一番下の第 4 レベルにあります。このレベルでは、核子(中性子とその後継である陽子) はほとんど無視され、2 つのクォークと荷電ボソンの相互作用にのみ注目が集まり、ボソンの崩壊はほとんど後回しにされています。荷電弱いボソン(
わ⁻
）は急速に消滅するため、20世紀前半には実際に観測されなかったため、レベル1の図では省略されていますが、現在でも大部分はその後の影響から推測されています。

中性子の寿命は数十年にわたって研究されてきましたが、2つの実験方法（「ボトル」対「ビーム」^{[6] [a] ）から異なる結果が出たため、現在のところその正確}な値に関する一致した見解はありません。「中性子寿命の異常」は、超冷中性子を用いた実験の改良後に発見されました。^[7]誤差範囲はかつては重なっていましたが、この問題を解決するはずだった技術の改良が進んだにもかかわらず、単一の値への収束は実証されていません。^{[8] [9] [10] [11]} 2014年の時点で得られた平均寿命値の差は約9秒でした。^{[9]さらに、2018年時点での}量子色力学に基づく値の予測は、どちらか一方を支持するほど正確ではありません。^{[12] [b]} Wolchover（2018）が説明したように、^[6]陽子を生成しない崩壊モードがある場合、ビームテストは不正確になります。

2021年10月13日にはボトル法による寿命が^{[13] [1]}に更新され、ビーム法の値^{[14] [15]}よりも10秒差が拡大しました。また同日、過去のNASAの月探査ミッションのデータを使用した新しい第3の方法で^{[14] [16]}という値が報告されましたが、不確実性は大きいものでした。 ${\displaystyle \tau _{n}=877.75s}$${\displaystyle \tau _{n}=887.7s}$${\displaystyle \tau _{n}=887s}$

ビーム法に似た別のアプローチが日本大強度陽子加速器施設（J-PARC）で研究されてきたが、現時点では不正確すぎるため、矛盾の分析には重要ではない。^{[17] [18]}

• ハルバッハ配列 -「ボトル」法で使用される

• Ерозолимский、Б.Г。 （1975年）。 「中性子のベータ崩壊」 Бета-распад нейтрона [中性子のベータ崩壊]。Успехи Физических Наук Успехи физических наук。116 (1): 145–164。土井：10.3367/UFNr.0116.197505e.0145。