逆ベータ崩壊

逆ベータ崩壊（IBD）について

逆ベータ崩壊、英語で「Inverse Beta Decay」（略称：IBD）は、反電子ニュートリノが陽子と相互作用を起こし、陽電子と中性子を生成する核反応です。この反応は、ニュートリノを検出する際に非常に重要な役割を果たします。

逆ベータ崩壊の反応過程

具体的な反応式は以下のようになります。

$$
ν_e + p → e^+ + n
$$

ここで、$
u_e$は反電子ニュートリノ、$p$は陽子、$e^+$は生成される陽電子、そして$n$は中性子を示します。このプロセスでは、反電子ニュートリノが陽子と衝突することで、陽電子と中性子が生成されるのです。

この逆ベータ崩壊が起こるためには、反ニュートリノは少なくとも1.806 MeVの運動エネルギー、すなわち閾値エネルギーを持つ必要があります。この閾値エネルギーは反応物と生成物の質量差によって決まります。また、反電子ニュートリノの相対論的質量効果も影響を与えています。生成される陽電子は中性子よりも質量が小さいため、ニュートリノのエネルギーは主に陽電子に振り分けられます。

可視エネルギーと遅延発光

陽電子は生成されてすぐに相手となる電子と対消滅し、そこで発生するエネルギーは次のように表されます。

$$
E_{vis} = 511 keV + 511 keV + E_{ν_e} - 1806 keV = E_{ν_e} - 784 keV,
$$

ここで511 keVは電子と陽電子の静止エネルギー、$E_{vis}$はこの反応によって得られる可視エネルギー、$E_{ν_e}$は反ニュートリノの運動エネルギーを示しています。陽電子の対消滅後、中性子は検出器内の原子核に捕獲されることが多く、その場合は2.22 MeVの遅延発光を観測することができます。

この遅延捕獲が発生するタイミングは、逆ベータ崩壊の発生からおおよそ200–300マイクロ秒後（例えばBorexino検出器で約256 μs）となります。陽電子の対消滅と中性子捕獲の時間的なずれと位置が合致することで、バックグラウンドとの区別が可能な逆ベータ崩壊のシグナルがニュートリノ検出器で発生するのです。

反応断面積について

逆ベータ崩壊の反応断面積は、反ニュートリノのエネルギーや捕獲対象の元素によって変化しますが、一般的には10^-44 cm²（おおよそアトバーン）程度であるとされています。この値は、ニュートリノ物理学において様々な実験や研究において重要な指標となります。

まとめ

逆ベータ崩壊は、クライド・カワンやフレデリック・ライネスが初めて反ニュートリノを検出した際にも利用された重要なプロセスです。カムランドやBorexinoなど、多くのニュートリノ実験でこの過程が基本となり、低エネルギーのニュートリノについての理解を深めるために不可欠です。

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