¿Por qué la desintegración beta de un neutrón es asimétrica?

Hay varias maneras diferentes en las que un decaimiento puede ser "asimétrico". Esta propuesta para un experimento que actualmente recopila datos sobre asimetrías de decaimiento de neutrones describe la dependencia de la tasa de decaimiento de neutrones en la energía y la dirección del electrón y el neutrino como

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

En esta expresión,$d\Gamma$es la tasa de decaimiento diferencial, los diferenciales$d\Omega_{(e,\nu)}$son pedacitos de ángulo sólido,$\vec p_{(e,\nu)}$son los momentos de electrones y neutrinos,$E_{(e,\nu)}$son las energías del electrón y del neutrino después de la desintegración,$E_0$es la energía total en el decaimiento, y$\vec\sigma_n$es el espín del neutrón antes del decaimiento.

Este conjunto de correlaciones de descomposición y sus coeficientes fue escrito por primera vez por Jackson y sus colaboradores en la década de 1950, y es básicamente "¿cuáles son todas las cosas de las que podría depender una tasa de descomposición? Démosles nombres". Hay algunos otros coeficientes de correlación de descomposición que no son relevantes para su pregunta. Por ejemplo, Jackson tenía un término$C\ {\vec\sigma_n \cdot\vec p_p}/{E_p}$dependiendo del momento del protón después de la desintegración, pero en el marco de reposo del neutrón el momento del protón obedece$\vec p_p + \vec p_e + \vec p_\nu = 0$y el coeficiente de decaimiento$C$es por lo tanto una combinación lineal de$A$y$B$. Hay una$b$que no es relevante para su pregunta, así que lo dejé fuera. Probablemente haya otros posibles parámetros de descomposición que también se omiten de la propuesta vinculada.

Lo que dedujiste para el experimento de Wu es un razonamiento sobre las correlaciones correspondientes a$A$y$B$: correlación entre la dirección de la polarización nuclear y la dirección del electrón, o entre la polarización nuclear y la dirección del neutrino. Ese análisis simple no funciona para el caso de los neutrones por las razones que cita, pero son posibles análisis más sofisticados. Un resultado típico es que el coeficiente de correlación$A$entre la dirección de polarización del neutrón y la dirección en la que viaja el electrón se da, usando la interacción débil del modelo estándar, por

$$A = -2\frac{|\lambda|^2 + \mathrm{Re}(\lambda)}{1 + 3|\lambda|^2}$$ dónde $\lambda = g_A/g_V$es la relación del acoplamiento axial-vectorial $g_A$y el acoplamiento vectorial $g_V$en la interacción débil. En extensiones al Modelo Estándar donde la interacción débil no es puramente $V-A$("vee menos aye", "vector menos vector axial") pero también contiene términos escalares o tensoriales, se predice que todos estos coeficientes de correlación también cambiarán.

En caso de que tenga curiosidad acerca de los valores, la evaluación actual del Grupo de datos de partículas brinda$A = -0.1184(10)$: el electrón tiene aproximadamente un doce por ciento más de probabilidades de ser emitido desde el polo sur del neutrón que desde su polo norte. La correlación de neutrinos$B$tiene el signo opuesto y es mucho más grande,$B = +0.9807(30)$. ¡Aparentemente, los antineutrinos se emiten casi en su totalidad en el mismo hemisferio que el polo norte del neutrón! Parece que debería haber un buen análisis de movimiento de manos para eso, pero no lo sé.