Hidrógeno y el neutrón

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Hidrógeno y el neutrón

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Tengo una pregunta sobre el hidrógeno y el neutrón.

Así que un átomo de hidrógeno neutro tiene estructura ${}^1H\equiv[p^+ e^-]$ , un protón y un electrón unidos. Desde un punto de vista teórico cuántico, uno escribiría un número infinito de interacciones para describir este estado ligado. Pero estaba pensando, ¿eso no sugiere que lo siguiente es posible?

Mi preocupación es, por supuesto, la interacción de corriente neutra en el centro: me vienen a la mente dos cosas; el mecanismo GIM que suprime las corrientes neutras que cambian el sabor (p. ej., la instancia en la que $\nu_e$ oscila en $\nu_\mu$ ), y la relación de neutrones a protones del hidrógeno. Si esto ocurre, el neutrino podría expulsarse del diagrama, dejando un neutrón solitario, que podría decaer. $n\rightarrow p^+ e^- \bar{\nu}_e$ . Entonces, ¿por qué esto no ocurre? ¡Muchas gracias por tus pensamientos!

Un pensamiento más: si el neutrino es Majorana, ¿esto también mejora este efecto de descomposición del hidrógeno? (ref https://en.wikipedia.org/wiki/Bethe%E2%80%93Salpeter_equation )

por simetría

Usted menciona que el neutrón libre se desintegra en un protón, un electrón y un neutrino. ¿Qué implica esto acerca de las masas relativas de estas partículas?

robar

@BySymmetry No está preguntando sobre un proceso de descomposición, sino sobre una interacción.

MKF

@BySymmetry aunque

m_{n} > m_{p} + m_{e}

$m_n > m_p + m_e$ , eso no quiere decir que estas interacciones no puedan ocurrir (la incertidumbre de Heisenberg nos permite tomar prestada la energía, fuera de la cáscara); Nuevamente, como digo, todo tipo de efectos podrían ocurrir en ese propagador central: oscilación de neutrinos, dispersión de neutrinos de neutrones. Pero al final el Hidrógeno es estable, ¿por qué si estos procesos son accesibles?

Respuestas (1)

Hidrógeno y el neutrón

Usted menciona que el neutrón libre se desintegra en un protón, un electrón y un neutrino. ¿Qué implica esto acerca de las masas relativas de estas partículas?
@BySymmetry No está preguntando sobre un proceso de descomposición, sino sobre una interacción.
@BySymmetry aunque $m_n > m_p + m_e$ , eso no quiere decir que estas interacciones no puedan ocurrir (la incertidumbre de Heisenberg nos permite tomar prestada la energía, fuera de la cáscara); Nuevamente, como digo, todo tipo de efectos podrían ocurrir en ese propagador central: oscilación de neutrinos, dispersión de neutrinos de neutrones. Pero al final el Hidrógeno es estable, ¿por qué si estos procesos son accesibles?

robar · Answer 1

De hecho, todas las interacciones que ha dibujado contribuyen a la interacción entre el electrón y el protón. Este es el sentido en el que es una "fuerza" débil. Recientemente se midió el tamaño de la interacción de la corriente neutra entre el protón y el electrón, con análisis preliminares y finales publicados en 2013 y 2018 . (Soy autor de ambos artículos).

La interacción de la corriente neutra,

pag mi \to pag Z mi \to pag mi,

${\rm pe} \to {\rm p}Z\rm e \to pe,$

tiene la misma estructura que la fuerza electromagnética mediada por el fotón, pero diferente comportamiento bajo simetría de paridad y con un potencial de Yukawa

{tu}_{débil} \sim \frac{q_{mi}^{w mi a k} q_{pag}^{w mi a k}}{r} \cdot {mi}^{- {metro}_{Z} r}

$U_\text{weak} \sim \frac{q^\mathrm{weak}_\mathrm e q^\mathrm{weak}_\mathrm p}{r} \cdot e^{ - m_Z r}$

en lugar de la $1/r$ Potencial de Coulomb del electromagnetismo. la masa del $Z$ bosón hace que esta interacción desaparezca exponencialmente con una escala de distancia $r_Z = \hbar c / m_Zc^2 \approx 0.0022\,\rm fm$ , tres órdenes de magnitud menor que el tamaño del protón. Entonces, para los estados unidos del átomo de hidrógeno, hay una pequeña corrección en la energía de la parte de la función de onda donde el electrón se superpone con el protón. Esta corrección sería "grande" en $s$ -estados de onda en comparación con $p$ -estados de onda, ya que su superposición con el núcleo es diferente, pero no lo suficientemente grande como para contribuir a la incertidumbre actual de la constante de Rydberg, $E_1 = -13.6\,\mathrm{eV} \times (1 \pm 290\,\mathrm{ppb})$ . Esos pocos cientos de partes por mil millones son el tamaño de la asimetría de interacción débil en los documentos que vinculé anteriormente, donde la energía de interacción era $1\,\rm GeV$ y la interacción débil de corto alcance es menos inaccesible.

La fuerza de corriente cargada entre un protón y un electrón tendría su mayor contribución en el diagrama de bucle

pag mi \to norte W mi \to norte v \to pag W v \to pag mi

${\rm pe}\to {\rm n}W{\rm e} \to {\rm n}\nu \to {\rm p}W\nu \to {\rm pe}$

y sus permutaciones. Esta fuerza tiene un alcance efectivo más corto porque ahora tienes que pedir prestada suficiente energía para dos bosones virtuales pesados. Eso lo hace aún más débil a larga distancia que la interacción débil del único bosón pesado. No puedo recordar cuánto más débil, pero no fue una consideración en absoluto en el experimento que hicimos. (Tuvimos unos cinco años en los que la comunidad teórica tuvo un desacuerdo sobre la $\gamma Z$ diagrama de caja).

En cuanto a la desintegración beta de lo virtual $\rm n\nu$ estado en el diagrama de caja de corriente cargada que no importa, eso se vería desde afuera como

pag mi \to pag mi \bar{v} v

$\rm pe \to pe\bar\nu\nu$

lo que viola la conservación de la energía a menos que el sistema protón-electrón libere algo de energía de enlace. Un cálculo divertido sería predecir la relación de ramificación para $\bar\nu\nu$ emisión de una de las transiciones de Lyman o Balmer.

De hecho, ese es un cálculo realmente interesante. Suponga que la razón de ramificación para $\rm H^*\to H\bar\nu\nu$ es cualquier pequeña fracción que te guste: $10^{-20}$ o $10^{-50}$ o lo que sea. Entonces, las fotosferas de las estrellas son emisores difusos de neutrinos de pocos eV, lo que sería efectivamente una fuente continua de materia oscura cuasi-relativista. Creo que la evidencia es que la mayor parte de la materia oscura es "fría" o no relativista, pero hay un buen artículo en una estimación de la rapidez con que estos neutrinos de Lyman se acumularían alrededor de una galaxia.

Gracias @rob por la excelente respuesta: físicamente tiene sentido que haya que protegerlo; pero como dices, ¡esto debe significar que puede ocurrir! Por supuesto, el potencial de Yukawa suprime la interacción en comparación con la interacción QED típica y las secciones transversales de neutrinos son generalmente mucho más pequeñas que las de QED ( $o(10^{-40})$ o con menos frecuencia), por lo que rara vez suceden. Entonces, como punto secundario, ¿debe ser posible tomar el átomo de hidrógeno y acceder a estas interacciones débiles suprimidas colocándolo en un baño termal? Me pregunto si imitaría el caso de la energía vinculante que discutió anteriormente (es decir, EFT)

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