维基百科:台湾教育专案/台大物理系服务学习/113-1/反向β衰变

反向β衰变是一种核反应过程，在此过程中反电微中子与质子发生散射，产生正电子及中子。此过程广泛应用于微中子探测器中进行反电微中子的探测，例如在首次探测到反微中子的科温-莱因斯微中子实验、KamLAND与Borexino等微中子实验中。对于研究低能量微中子（$<60\mathrm {MeV}$）的实验而言，这是一个关键过程，包括研究微中子振荡、反应器中子、惰性中微子及地球中微子等领域。

历史

反向β衰变的概念可追溯至1930年代。1934年，恩里科·费米提出了描述β衰变的理论，这为理解反向过程奠定了基础。1953年，弗雷德里克·莱因斯和克莱德·科温在萨凡纳河工厂的核反应堆进行了划时代的实验，首次证实了反微中子的存在。他们利用反向β衰变作为探测机制，以含有氯化镉的液态闪烁体探测器，成功观测到反微中子与质子相互作用产生的特征信号。这项发现为莱因斯赢得了1995年的诺贝尔物理学奖。

物理过程

反微中子诱发反应

反向β衰变衰变的进行如下：

${\bar {\nu }}_{e}+p\rightarrow e^{+}+n$

其中反电微中子（${\bar {\nu }}_{e}$）与质子（$p$）发生交互作用，产生正电子（$e^{+}$）和中子（$n$）。当反微中子具有至少1.806 MeV的动能（称为阈能）时，IBD反应才能开始进行。此阈能源于产物（$e^{+}$和$n$）与反应物（${\bar {\nu }}_{e}$和$p$）之间的质量差异，以及反微中子的相对论质量效应。 由于正电子相对于中子质量较小，大部分反微中子能量会分配给正电子。正电子会立即进行物质-反物质湮灭，产生能量为：

$E_{\mathrm {vis} }=511\mathrm {keV} +511\mathrm {keV} +E_{{\bar {\nu }}e}-1806\mathrm {keV}$

$E{\mathrm {vis} }=E_{{\bar {\nu }}_{e}}-784\mathrm {keV}$

其中511 keV为电子和正电子静止质量，$E_{\mathrm {vis} }$为反应的可见能量，$E_{{\bar {\nu }}_{e}}$为反微中子动能。

微中子诱发反应

另一种反向$\beta$衰变的反应为：

$\nu _{e}+n\rightarrow e^{-}+p$

电子诱发反应

主条目：电子捕获

在中子星形成过程中，或在可进行电子捕获的放射性同位素中，中子由电子捕获产生：

$p+e^{-}\rightarrow n+\nu _{e}$

探测特征

在正电子湮灭后，中子会在探测器中被某一元素捕获，若被质子捕获则产生延迟的2.22 MeV闪光。延迟捕获的时间为IBD启始后200-300微秒（在Borexino探测器中约为256 μs）。正电子立即湮灭与延迟中子捕获之间的时间和空间关联提供了明确的IBD特征，可用于区分背景。

探测技术

探测器设计

主条目：微中子探测器

现代微中子探测器通常采用大型液态闪烁体作为探测介质。这些探测器主要由三个部分组成：

• 中心探测区：充满掺杂了少量溶质的有机液体闪烁体
• 光电倍增管阵列：用于探测闪烁光
• 外部屏蔽系统：用于降低背景事例

应用领域

反应器微中子研究

核反应器是最强的人造反微中子源，其研究对象包括：

• 微中子振荡参数测量
• 微中子质量阶层研究
• 惰性微中子搜寻
• 反应器监测

地球中微子

主条目：地球中微子

通过探测来自地球内部的反中微子，可以研究：

• 地球内部放射性元素分布
• 地热能产生机制
• 地球物理模型验证

超新星微中子

IBD是探测超新星爆发产生的微中子的主要方法之一，可用于：

• 提前预警超新星爆炸
• 研究重力塌缩机制
• 测量微中子物理参数

未来发展

反向$\beta$衰变探测技术的未来发展方向包括：

• 研发新型闪烁体材料
• 提高探测器能量分辨率
• 开发新的背景抑制技术
• 扩大探测器规模
• 发展新的应用领域

另见

• 贝他衰变
• 弱交互作用

外部链接

• 中微子研究门户
• 赖因斯诺贝尔奖演讲