¿Por qué el neutrón es más pesado que el protón? [cerrado]

El neutrón está formado por dos quarks down y un quark up; el protón de dos quarks up y un quark down. Esto conduce a dos efectos que diferencian sus masas. Una es que los quarks arriba y abajo tienen masas diferentes. La otra es que el protón está cargado, por lo que las correcciones cuánticas que involucran fotones virtuales afectan su masa. Los detalles son extraordinariamente difíciles de calcular, pero las simulaciones de QCD de celosía permiten desentrañar los efectos, y el resultado declarado es que la masa del quark down es de aproximadamente 4,8 MeV frente a una masa del quark up de aproximadamente 2,0 MeV. Entonces, es principalmente el hecho de que el quark down es más pesado que el quark up lo que hace que el neutrón sea más pesado que el protón.

Como dijeron otros, el proceso de "desintegración de protones" que anotó está prohibido, precisamente porque el neutrón es más pesado que el protón.

Como ya sabrá, los nucleones están hechos de quarks; protones (uud) y neutrones (udd) cuyas masas son 938,3 MeV y 939,6 MeV, respectivamente. El punto clave es que la mayoría de la masa del nucleón proviene de las interacciones de los quarks.

Para ver esto, considere los siguientes puntos:

1. si fueras a masa un quark arriba o abajo "libre", tendrían una masa de solo unos pocos MeV.

2. si restringiera estos quarks dentro del núcleo (alrededor de 10^(-15) m), tendrían masas del orden de varios cientos de MeV. La memoria me dice en algún lugar del orden de unos pocos cientos de MeV (300-400 MeV). Esto se deriva de la energía de punto cero para un pozo de 10^(-15) m.

3. Entonces, para dar cuenta de los 600-700 MeV que faltan, uno tiene que mirar las interacciones de los quarks dentro de los nucleones. Y la capacidad actual para calcular esto (a través de QCD) está actualmente más allá de nuestras capacidades teóricas.

Así que decir que los nucleones tienen masas diferentes debido a las diferencias en las masas de los neutrinos, no es correcto. ¡La mayoría de las masas de los nucleones provienen de las interacciones de los quarks!

Si tomamos un modelo nativo para intentar explicar las diferencias de masa, el quark down es unos MeV más masivo que el quark up (nadie sabe por qué). Debido a la energía de punto cero de quedar atrapado a una distancia de 10^(-15) m, cada nucleón debería tener una masa de alrededor de 1 GeV. Entonces, la única diferencia entre el protón y el neutrón será del orden de MeV, y esta diferencia puede pensarse como resultado de

• las diferencias entre el protón (udu) y el neutrón (udd) es que el segundo quark abajo del neutrón es más pesado que el segundo quark arriba del protón. Entonces, la mayor masa de este quark down le da al neutrón una masa mayor que la del protón.

• las fuerzas electrostáticas entre dos arriba y abajo (protón) diferirán de aquellas entre esas dos abajo y arriba (neutrón).

Entonces, la inestabilidad del neutrón (desintegración beta) se debe a que tiene una masa ligeramente mayor que el protón. Y como dice el refrán, la naturaleza siempre busca el estado más bajo de energía (masa).

El positrón es la antipartícula del electrón. El antineutrino es la antipartícula del neutrino. Por el teorema CPT, esperamos que las masas de estas partículas sean iguales a las de la antipartícula.

El neutrón no es la antipartícula del protón (el hecho de que la carga del neutrón no sea -1 debería ser suficiente para que esto quede claro). Por lo tanto, no tenemos una restricción sobre sus masas de QFT. Resulta que el protón es menos masivo que el neutrón, por lo que el proceso de descomposición del protón que describiste anteriormente requiere una entrada de energía (o temperaturas térmicas tan altas que la diferencia de energía es irrelevante).

No hay descomposición de protones: el protón es una partícula estable.

$p^+ \to n + e^+ + \nu_e$no es decadencia, es reacción. Debe escribirse como:

$\gamma+p^+ \to n + e^+ + \nu_e$, o
$p^+ + p^+\to p^+ +n + e^+ + \nu_e$