Oddziaływania słabe

Najprostszym przykładem przemiany jest rozpad swobodnego neutronu na proton, elektron i antyneutrino elektronowe:

[51]

Powstające w tym procesie cząstki mają sumaryczną energię kinetyczną

[52]

gdzie , , oraz oznaczają masy spoczynkowe odpowiednich cząstek, a jest prędkością światła w próżni. (Nawet jeśli masa (anty)neutrina nie jest równa zeru, jest ona bardzo mała i można ją na ogół pominąć w bilansie (52)). Ponieważ sumaryczna energia kinetyczna produktów rozpadu jest większa od zera i proces ten jest kinematycznie dozwolony. Jednakże mała wartość różnicy mas w porównaniu z masą neutronu jest przyczyną anomalnie długiego (w porównaniu z czasami rzędu s) czasu życia swobodnego neutronu: s (patrz rozdział 2).

Przemianę promieniotwórczego jądra zbudowanego z protonów i neutronów można wyobrażać sobie jako rozpad jednego z neutronów wchodzących w skład jądra (por. uwagi o złożoności i strukturze w rozdziale 2). Powstały w wyniku rozpadu proton zajmuje wówczas w jądrze miejsce neutronu

[53]

Sumaryczna energia kinetyczna produktów rozpadu (jądra , elektronu i antyneutrina) wynosi w tym przypadku

[54]

i nie jest równa energii (52). Spowodowane jest to tym, że masa jądra jako całości różni się od sumy mas tworzących je protonów i neutronów o tzw. energię wiązania jądra, podzieloną przez . Energia ta, uwarunkowana oddziaływaniami silnymi i elektromagnetycznymi nukleonów tworzących jądro, zależy w skomplikowany sposób od wartości liczb i . W efekcie, energia może być dla jednych jąder dodatnia (jądra te są wówczas nietrwałe ze względu na rozpad ), a dla innych ujemna (jądra stabilne ze względu na rozpad ). Z tego samego powodu rozpad

[55]

zabroniony kinematycznie dla swobodnego protonu, może zachodzić w niektórych jądrach jako proces przemiany :

[56]

W opisanych wyżej rozpadach w stanie końcowym występują trzy cząstki. Dlatego też prawa zachowania energii i pędu nie wyznaczają jednoznacznie podziału energii między produkty rozpadu. Ponieważ (anty)neutrino, pochodzące z rozpadu , na ogół nie jest rejestrowane i jego energii nie daje się zmierzyć, a energia kinetyczna powstającego jądra jest zaniedbywalna, najbardziej interesującą wielkością jest energia kinetyczna unoszona przez elektron (pozyton). Jest ona w sposób statystyczny rozłożona od zera do wartości maksymalnej danej wzorem (52) lub (54). Statystyczny charakter tego rozrzutu polega na tym, że wartości energii kinetycznej unoszonej przez elektron (pozyton) w danym pojedynczym akcie rozpadu nie można przewidzieć. Pomiar tej energii w wielu aktach rozpadu daje charakterystyczne dla danej przemiany widmo energii elektronu (pozytonu). Typowe takie rozkłady są przedstawione na rys. 28.

Rysunek 28. Typowe widma β w funkcji energii kinetycznej elektronu (w keV)

(Badanie maksymalnej energii kinetycznej elektronów powstających w wyniku rozpadu jest jednym ze sposobów ograniczania od góry wartości masy neutrina elektronowego; obecne dane eksperymentalne mówią, że eV).

Drugim bardzo ważnym przykładem procesów z udziałem hadronów są rozpady

[57]

Rozpady pionu na parę lepton antylepton są najbardziej precyzyjnym potwierdzeniem tzw. chiralnej struktury oddziaływań słabych. Będzie o tym bardziej szczegółowo mowa nieco dalej.