¿Cuánto es largo?

Entonces, "vida media de solo unos 12 minutos" es realmente una idea extraña para la mayoría de sus lectores. ¡12 minutos es mucho tiempo, atómicamente hablando! Al igual que los piones cargados tienen una vida media de 18 nanosegundos, el no cargado es de 58 nano-nanosegundos (attosegundos). Podrías decir "bueno, esos son mesones, no bariones como el protón y el neutrón", pero en realidad el primer nuevo barión descubierto, el$\Lambda^0$, tenía una vida media de 0,18 ns y esto se consideró tan extraño (¡en el sentido de ser mucho más largo de lo esperado!) que se pensó que la partícula recién descubierta tenía una cualidad llamada extrañeza y esto finalmente se convirtió en el nombre de cuarc; todavía hoy se le llama el "quark extraño".

la diferencia de masa

El neutrón se descompone en el protón por una sencilla razón: un protón está formado por dos ups y un down, un neutrón está formado por dos downs y un up, y el quark down es intrínsecamente más masivo que el quark up. Ahora hay una sutileza: la gran mayoría de las masas de protones y neutrones provienen de su energía de enlace de fuerza fuerte a través de$E=mc^2,$por eso tienen básicamente la misma masa cuando están completamente ensamblados, un poco más de 930 MeV. (Un electronvoltio, o eV, es la cantidad de energía que gana un electrón cuando pasa por un voltio de diferencia de potencial; corresponde a una cierta masa después de dividir por$c^2.$) Pero los quarks up en estas partículas son aproximadamente 2 MeV más livianos que los quarks down (en realidad, no conocemos las masas reales al 100%, pero la historia parece ser correcta), y el punto es que esta brecha de ~2 MeV es lo suficientemente grande como para que, incluso después de crear un electrón (0,5 MeV) y un neutrino y teniendo en cuenta la mayor autorrepulsión electromagnética, el protón siga siendo 1,3 MeV más ligero en general. Más ligero significa menor energía, lo que significa que la energía total se distribuye más por todo el universo y, en cierto sentido, estamos hablando nuevamente de entropía y estadísticas.

Quizás se pregunte por qué este argumento no va un paso más allá, a una partícula con tres ups. Esta partícula existe y se llama$\Delta^{++}.$Sin embargo, este hecho de que "la mayor parte de la masa es energía de enlace" vuelve a mordernos, porque resulta que parte de esa energía de enlace vive en la configuración de espín de los quarks que forman el nucleón. Esto se reduce al "principio de exclusión de Pauli": un quark abajo y un quark arriba, al ser partículas diferentes, pueden estar en "el mismo estado", pero dos quarks arriba deben estar "en estados diferentes". En los detalles, este principio de exclusión toma la forma de que la configuración de "sabor" arriba/abajo y la configuración de espín deben ser simétricas o antisimétricas, ya que el estado de carga de color es antisimétrico y el estado general debe ser antisimétrico. Bueno, el estado up-up-up del$\Delta^{++}$y abajo-abajo-abajo del estado del$\Delta^-$no puede evitar ser simétrico; por lo tanto, el estado de espín también debe ser simétrico, y el estado de espín simétrico tiene una energía más alta que el estado de espín antisimétrico en 200-300 MeV. Por el contrario, hay dos configuraciones (1u, 2d) y (2u, 1d), las que son antisimétricas de sabor y antisimétricas de espín tienen espín total 1/2 y son el protón y el neutrón; los que son simétricos en sabor y simétricos en espín tienen un espín total 3/2 y son los$\Delta^+$y$\Delta^0.$De todos modos, el punto es que la energía adicional que debe unirse en este estado para mantener el giro adicional en el sistema es muy alta, por eso no se ven estas partículas en la naturaleza.

Tunelización cuántica

Entonces, los neutrones tienen un estado de energía más alto que los protones, y la mecánica cuántica dice que si alguna vez hay un estado de energía más baja, y si hay algún proceso que pueda transferir energía, entonces eventualmente el sistema llegará a estar en ese estado de energía más baja. estado. Pero, esto podría llevar un tiempo si el proceso de transferencia requiere más energía que la que tiene el sistema, en cuyo caso la mecánica cuántica tiene que "hacer un túnel" a través del estado de mayor energía, lo que lleva algún tiempo debido a la incertidumbre del tiempo y la energía. Eso es lo que hace que este proceso lleve tanto tiempo para los neutrones; el único camino consiste en crear un$W^-$bosón que eventualmente se descompone en un electrón y un antineutrino, pero el bosón en el medio tiene una masa muy grande (80,000 MeV más o menos) y, por lo tanto, no hay suficiente masa para crear uno de estos. QM tiene que hacer un túnel a través de esto$W$-estado de bosón.

¿Cómo estabiliza los neutrones la presencia de otros nucleones?

Por otro lado, cuando estos bariones están dentro de un núcleo, la atracción de los diferentes bariones puede crear una fuerza que "mantiene unidos" los neutrones, en el sentido de que la desintegración de un neutrón aumentaría la energía de todo el núcleo formado. Esto en realidad ocurre exactamente por el mismo mecanismo que hace que$\Delta^{++}$energía de costo bariónico, esa exclusión de Pauli.

Entonces, si ha tratado con átomos, sabe que dos átomos sin carga aún se "pegarán" entre sí por las fuerzas de van der Waals, que solo tienen que ver con "aunque la carga total es 0, todavía hay alguna distribución de carga estructura aquí, que importa mucho en distancias cortas". los nucleonesdentro de los átomos en realidad tienen una propiedad muy similar a pesar de que la carga de color es más complicada que la carga eléctrica. Básicamente, estos protones y neutrones se mantienen internamente junto con estos gluones en partículas de carga de color neutra; pero aún pueden "pegarse" entre sí a través de la fuerza fuerte, generalmente intercambiando piones virtuales. Los piones son mesones: combinaciones de un quark y un antiquark con cargas de colores opuestos, por lo que también terminan siendo de color neutro. En este caso el mesón arriba-antiabajo se llama$\pi^+$mientras que el mesón antiarriba se llama$\pi^-$y hay dos muy efímeros$\pi^0$mesones entre ellos, arriba-antiarriba y abajo-antiabajo. Estos fueron predichos por Yukawa mucho tiempo antes de que supiéramos algo sobre los quarks: ¡fueron, de hecho, nuestro primer salto por la madriguera del conejo! Pero de todos modos, existen estos piones de vida corta que "pegan" protones y neutrones a distancias cortas.

Ahora entra la exclusión de Pauli y dice "oye, estos protones y neutrones también sonun protón unido a un neutrón por estos piones. Agregue un neutrón más, y esto se convierte en tritio débilmente inestable con una vida media de 12 años, agregue un neutrón más y el resultado es severamente inestable.

En realidad, aquí hay un equilibrio en el que la ganancia de energía de poder "dejar caer" varias capas de energía puede impulsar un núcleo con muy pocos neutrones y demasiados protones para emitir un positrón (un antielectrón) en decaimiento beta inverso, convirtiendo en un neutrón para "dejar caer" algunas capas de energía. Esos núcleos son muy útiles en medicina, porque el positrón generalmente se aniquila con un electrón para producir dos rayos gamma que van en direcciones opuestas, y detectando estos rayos gamma es como funciona el escáner PET. Así que dices "¡bebe este fluido emisor de positrones!" y luego puedes trazar con el escáner PET dónde han ido todos estos átomos en el cuerpo.

Es un principio fundamental de las observaciones físicas que todo pasa al estado de energía más bajo, si es posible. Un neutrón tiene un Mev más de masa que el protón y puede decaer a un protón a través de la interacción débil.

Este es el diagrama de Feynman de la descomposición:

Tenga en cuenta el W virtual. Si es real, tiene una masa cercana a 100 GeV, por lo que está muy fuera de la capa de masa en las integrales. Los dos vértices de interacción débil y la gran masa de la W virtual dan una probabilidad de decaimiento de 15 minutos según lo observado.

Por supuesto, hay que tener en cuenta que las desintegraciones de neutrones exploraron y definieron la interacción débil, y sería circular si no tuviéramos una plétora de otras interacciones débiles que concuerdan con el modelo incorporado en el modelo estándar de física de partículas.