ベータ崩壊

ベータマイナス崩壊のファインマン図: 中性子が W ボソンを介して陽子になる。写真：MovGP0, CC BY-SA 3.0, Wikimedia Commons

ベータ崩壊とは、中性子が陽子に変わる、あるいはその逆が起こる原子核の過程である。それはニュートリノ物理学全体の出発点となった。そこでエネルギーが失われているように見えることに気づかれ、この欠落からニュートリノが存在するという推測が生まれた。

三つの形

ベータマイナス崩壊。中性子が陽子と電子と反ニュートリノになる。原子核は周期表の中で一つ上へ移る。これが最も多い場合であり、通常このことを指す。

ベータプラス崩壊。陽子が中性子と陽電子とニュートリノになる。原子核は一つ下へ移る。自由な状態ではこれは決して起こらない—単独の陽子は安定である—が、結合エネルギーがそれを有利にする場合には原子核の中で起こる。

電子捕獲。原子核が最内殻から電子を引き寄せ、それによって陽子を中性子に変える。ここで生じるのはニュートリノだけであり、他に荷電粒子は生じない。まさにこの過程をモーリス・ゴールドハーバー（Maurice Goldhaber）は1958年にヘリシティの測定に用いた。

その背後にあるもの

クォークのレベルでは、この過程は単純である。中性子は二つのダウンクォークと一つのアップクォークからなり、陽子はその逆である。崩壊の際には一つのダウンクォークがアップクォークに変わり、そのときWボソンを放出する。 Wボソンは直ちに電子と反ニュートリノに崩壊する。

Wボソンは陽子のおよそ80倍重いため、ほとんど遠くまで届かない— そのために弱い相互作用はこれほど緩慢なのである。自由な中性子は平均しておよそ880秒、すなわち15分足らず生きる。原子核の過程としては、これは永遠に等しい。

連続スペクトルという謎

1914年、ジェームズ・チャドウィック（James Chadwick）は、ベータ崩壊から出る電子がまったく異なるエネルギーを持つことを確かめた。他のどの原子核過程でもエネルギーは鋭い。原子核はある状態から別の状態へ跳び、その差が完全な形で現れる。

ここではそれが幅広いスペクトルであり、ほぼ零から最大値まで広がっていた。残りはどこへ行ったのか。

15年にわたり、それが測定誤差なのかどうかが争われた。1930年、リーゼ・マイトナー（Lise Meitner）とヴィルヘルム・オルトマン（Wilhelm Orthmann）が熱量計によってこの問いに決着をつけた。二人は個々の電子ではなく、放出された熱の総量を測った。スペクトルが人為的なものであれば、熱量は最大値に対応していたはずである。それは平均値に対応していた。

つまりエネルギーは本当に消えていたのである。

二つの逃げ道

ニールス・ボーア（Niels Bohr）は、微小な領域でエネルギー保存則を放棄することを真剣に検討した。

ヴォルフガング・パウリ（Wolfgang Pauli）はそれをより高い代価とみなし、1930年12月にもう一方の道を提案した。すなわち、失われたエネルギーを運び去る目に見えない粒子である。

エンリコ・フェルミ（Enrico Fermi）は1934年、そこから収支を救うだけでなく、スペクトルの形を予言する理論をつくり上げた—そして測定された形はそれと一致した。これによりパウリの窮余の策は検証された物理学となった。

スペクトルの形が今日なお重要な理由

スペクトルの上端、すなわち電子がほぼすべてのエネルギーを受け取るところでは、ニュートリノに残されるものはほとんどない。ニュートリノが質量を持つなら、少なくともそのために必要なエネルギーが割かれねばならない— そしてスペクトルはごくわずかに手前で終わる。

まさにこれをKATRINがトリチウムで測定している。それはモデルの仮定なしで済む唯一のニュートリノ質量への道である。

二重の場合

いくつかの原子核では単純なベータ崩壊がエネルギー的に禁じられているが、二重のものは許される。そのときは二つの中性子が同時に変わる。半減期は10¹⁸年以上に及ぶ— それにもかかわらずこの崩壊は測定されている。

探索されているのはニュートリノを伴わない変種である。それはニュートリノが自分自身の反粒子である場合にのみ可能であり、そうなれば最も古い未解決の問いの一つに答えが出る。詳しくは二重ベータ崩壊のページに記されている。

この過程が他に現れる場所

ベータ崩壊は実験室だけのことではない。それは1956年に最初のニュートリノ検出を成功させた原子炉ニュートリノを生み出す。それは地球の熱収支を定めることのできる地球ニュートリノをもたらす。それは太陽における核融合の出発点に位置する。そしてそれは放射性炭素年代測定の基礎でもある。

出典

E. Fermi: Versuch einer Theorie der β-Strahlen, Zeitschrift für Physik 88, 161 (1934).
L. Meitner, W. Orthmann: Über eine absolute Bestimmung der Energie der primären β-Strahlen von Radium E, Zeitschrift für Physik 60, 143 (1930).