9. Антинейтрон

    Наиболее эффективным способом наблюдения антинейтронов является получение их в результате перезарядки антипротонов

+ p → + n,
+ n → + n + π^-.

и обнаружение их по аннигиляции. Этот метод был предложен сразу же после открытия антипротона.
    Антинейтрон был открыт в Национальной лаборатории им. Лоуренса (Беркли) в 1956 году, через год после открытия антипротона.

Вильям Венцель, Брюс Корк, Гленн Ламбертсон и Оресте Пичиони с одним из магнитов, который использовался в эксперименте.

    Целью данного эксперимента было обнаружение аннигиляции антинейтронов, образовавшихся из антипротонов в результате реакции перезарядки.
    Схема эксперимента, в котором был открыт антинейтрон, показана на рис. 9.1 и 9.2.

Рис. 9.1. Селектор антипротонов: Q1–Q5 – фокусирующие линзы; А1–А2 – магнитные  анализаторы; a, b, c, d, e, f– сцинтилляторы размерами 4×4×1/4 дюйма.

Рис. 9.2. Схема эксперимента по регистрации антинейтронов

    Антипротоны рождались в бериллиевой мишени в результате её бомбардировки протонами с энергией 6.2 ГэВ. С помощью системы из двух отклоняющих магнитов и системы сцинтилляционных счетчиков, включенных в схему совпадений, антипротоны отделялись от отрицательно заряженных мезонов по времени пролёта. Счетчик С1 — последний счетчик в этой системе — регистрировал образование от 300 до 600 антипротонов в час. Сигнал счетчика С1 служил указанием на то, что антипротон попал в конвертор K.

Рис. 9.3. Спектр импульсов в конверторе K, служащем для перезарядки, для 74 «нейтральных событий», зарегистрированных счетчиком из свинцового стекла - ЧС. Гистограмма относится ко всем зарегистрированным  случаям. Сплошная гладкая кривая служит для определения величин импульсов от антипротона, не вызвавших срабатывания счетчиков S1 или S2. Пунктирная кривая относится к антипротонам, не испытавшим ядерных взаимодействий в конверторе K. Обе кривые нормированы к гистограмме (по площади).

    В конверторе K, который представлял собой ёмкость, заполненную жидким сцинтиллятором, среди прочих реакций происходили реакции перезарядки антипротонов на нуклонах сцинтиллятора с образованием антинейтронов.

+ p → + n, + n → + n + π^-.

    Реакции перезарядки вызывали небольшие по сравнению с другими процессами световые вспышки в сцинтилляторе, которые фиксировались фотоумножителями ФЭУ. Уменьшение величины световой вспышки при образовании антинейтрона связано с тем, что заряд антинейтрона равен нулю и поэтому, в отличие от заряженных частиц, он не ионизует атомы сцинтиллятора при пролете через сцинтиллятор. Отрицательно заряженный антипротон, в результате реакции перезарядки превращаясь в нейтральные частицы, имел в конверторе меньший пробег и, следовательно, создавал меньшую ионизацию.
    Для фильтрации заряженных частиц π^±-, K^±-мезонов, непровзаимодействовавших в конверторе антипротонов , гамма-квантов и нейтральных пионов, распадающихся на гамма-кванты, служили два сцинтилляционных счетчика С2 и С3, включенных на совпадения, и свинцовый экран Э. Свинцовый экран Э обеспечивал эффективное поглощение γ-квантов и при этом не ослаблял антинейтроны. Антинейтроны проходили без регистрации через сцинтилляционные счётчики С2 и С3 и затем аннигилировали в черенковском счётчике ЧС из свинцового стекла. Регистрация антинейтронов происходила в черенковском счетчике ЧС по интенсивным световым вспышкам от заряженных пионов, образующихся при аннигиляции антинейтронов

+ n → пионы.

    На рис. 9.4 показан спектр импульсов в черенковском счетчике ЧС при регистрации нейтральных частиц. Сплошной гистограммой показано 54 импульса от аннигиляции антинейтронов. Спектр импульсов от аннигиляции нейтронов хорошо совпадает с контрольным спектром от аннигиляции антипротонов. Пунктирной линией показаны импульсы от других нейтральных частиц. Видно, что они значительно меньше по амплитуде и их значительно меньше в области аннигиляционного максимума от нейтронов.

Рис. 9.4. Спектр импульсов, вызванных нейтральными частицами в свинцовом стекле черенковского счетчика ЧС. Сплошная гистограмма охватывает 54 случая аннигиляции антинейтрона (величина импульса в конверторе K меньше 100 МэВ). Пунктирная гистограмма соответствует 20 импульсам, вызванным другими нейтральными частицами. Сплошная кривая относится к антипротонам и нормирована к сплошной гистограмме.

    Антинейтрон может аннигилировать не только в результате взаимодействия с нейтроном, но и при взаимодействии с протоном. Существование антинейтрона и возможность его аннигиляции с протоном были подтверждены в экспериментах на пропановой пузырьковой камере в Беркли в 1958 г. На рис. 9.5 стрелкой показана точка, в которой произошла реакция перезарядки

+ p → + n.

    Образовавшийся антинейтрон с энергией ~50 МэВ пролетел 9,5 см и аннигилировал.

+ p → 3π⁺ + 2π^- + xπ⁰.

Рис. 9.5 Фотография в жидководородной пузырьковой камере, помещенной в магнитное поле. Образование и аннигиляция антинейтрона. Стрелкой указана точка, в которой произошла реакция перезарядки антипротона + p → + n на протоне пузырьковой камеры. Образовавшийся антинейтрон затем аннигилировал с протоном в точке 1 с образованием пяти заряженных пионов
+ p → 3π⁺ + 2π^- + xπ⁰. Знак заряда образовавшихся пионов и их энергия определяются по кривизне траектории пиона в магнитном поле. Нейтральные пионы распадаются в образованием γ-квантов, поэтому в пузырьковой камере не видны.

    На фотографии видны треки пяти заряженных пионов, образующихся при аннигиляции. Суммарная энергия, уносимая заряженными пионами, >1500 МэВ близка к суммарной энергии покоя антинейтрона и протона. Оставшуюся энергию уносят нейтральные пионы.
    Необходимо учитывать, что при аннигиляции антинейтрона с протоном суммарный электрический заряд частиц, образовавшихся в результате аннигиляции, равен +1. Поэтому в результате аннигиляции образуется один «лишний» положительно заряженный пион π⁺, который затем порождает цепочку распадов

π⁺ → μ⁺ + ν_μ,
μ⁺ → e⁺ + ν_e + _μ.

    Образующийся в конце цепочки распадов позитрон e⁺ аннигилирует с электроном среды

e⁺ + e^- → 2γ.

    При аннигиляции антипротона с нейтроном

+ n → 3π^- + 2π⁺ + xπ⁰

число отрицательно заряженных пионов на единицу превышает число положительно заряженных пионов. Распад отрицательного пиона π^- будет сопровождаться появлением в конечном состоянии электрона

π^- → μ^- + _μ,
μ^- → e^- + _e + ν_μ.

Таблица 9.1

Характеристики нейтрона и антинейтрона

Характеристика	Нейтрон	Антинейтрон
Кварковый состав	udd
Масса mс2, МэВ	939.56536±0.00008
Спин, ћ	1/2
Чётность	+1	-1
Электрический заряд	0	0
Барионный заряд	+1	-1
Изоспин	1/2
Проекция изоспина	-1/2	+1/2
Величина магнитного момента, μN	1.9130427± 0.0000005
Знак магнитного момента	-1	+1
Время жизни, с	885.7±0.8
Схема распада	n → p + e- + e	→ + e+ + νe