Protón: 2 arriba, 1 abajo quark, Neutrón: 2 abajo, 1 arriba, ¿cómo Neutrón: protón + electrón?

Me imagino que hay una respuesta bastante simple a mi pregunta, pero nunca la he entendido bien. Si un protón se compone de dos quarks up y un down, y los neutrones se componen de dos down y un up, ¿cómo puede un neutrón ser un protón y un electrón?

Respuestas (3)

Un neutrón no es "un protón y un electrón". Un neutrón no está compuesto por un protón y un electrón dentro del neutrón.

En la mecánica cuántica, las partículas pueden aparecer y desaparecer o transformarse en otras partículas. Con el neutrón, uno de los quarks down puede decaer y convertirse en un quark up emitiendo un bosón W, convirtiéndose en un protón. El bosón W decae rápidamente en un electrón y un antineutrino electrónico. El nuevo quark up no existía hasta que el quark down se convirtió en él. El bosón W es lo que se llama una partícula virtual. No existe en el sentido clásico, simplemente está en la ambigua región del espacio-tiempo donde ocurre la descomposición. El electrón y el antineutrino no existían hasta la desintegración.

Aquí hay un diagrama de Feynman del proceso, desde aquí :

ingrese la descripción de la imagen aquí

¿Por qué dices que el bosón W no existe en el sentido clásico? Tampoco podemos observar los quarks up o down individualmente, pero dirías que existen literalmente, ¿verdad? ¿No existen los bosones W en ese mismo sentido, solo que la descomposición es demasiado rápida para que la detectemos?
El bosón W existe, pero nunca habrá un bosón W que no sea una partícula virtual. Hay quarks arriba y abajo que no son partículas virtuales.
No entiendo lo que quieres decir con "partícula virtual" y "en el sentido clásico" entonces. Parece que "partícula virtual" solo significa que no se puede detectar, no que no exista.
@ user21820, el bosón W en este diagrama es más masivo que el neutrón, el protón, el electrón y el neutrino combinados, y tampoco es solo "un poco más masivo"; es ~80 veces más masivo que el neutrón del diagrama. Entonces no hay suficiente energía para crear un bosón W literal. Lo que realmente está sucediendo es una instancia de un fenómeno llamado tunelización cuántica, que dice "aunque la mecánica cuántica obedece a la conservación de la energía en sus resultados finales, la probabilidad de esos resultados finales puede verse influenciada por procesos que violan la conservación de la energía en etapas intermedias. "
@CRDrost: Bueno, también pensamos que los pares de partículas y antipartículas se forman espontáneamente cerca del horizonte de un agujero negro y que pueden separarse, lo que hace que el agujero negro pierda masa. No veo por qué se debe considerar que no existen. Se forman a partir de la energía del continuo espacio-tiempo, por lo que no violaron la conservación de la energía. De manera similar, el bosón W puede formarse tomando prestada energía y la energía se devolvería después de decaer. A menos que esté diciendo que el bosón W es solo un concepto matemático y no una partícula en absoluto.
@user21820 una partícula virtual es cualquier partícula que no existe al principio o al final de una interacción. No son más que una construcción matemática. Son lo que se llama fuera de caparazón, lo que significa que su energía, masa y cantidad de movimiento no obedecen a las habituales metro 2 = mi 2 − pags 2 relación que en la cáscara obedecen las partículas reales. La idea de "tomar prestada energía del universo" es una simplificación excesiva que distorsiona en gran medida lo que realmente está sucediendo.
@JohnathanGross: ¿Tiene un ejemplo concreto en el que una partícula virtual no pueda explicarse con energía prestada? No creo que su definición de "partícula virtual" sea significativa. Es como decir que nuestros comentarios no existieron si el moderador los elimina solo porque no están allí al principio y al final de nuestra conversación.
@ user21820 Al final, debe decidir qué significa "existir". Se puede decir que cualquier partícula intermedia "existe", pero mediante la tunelización cuántica, cualquier proceso posible, incluso un solo electrón que viaja en línea recta, incluye todas las partículas posibles que se crean y destruyen, y estas contribuyen con correcciones muy, muy pequeñas a cómo se mueve el electrón. Entonces definimos que algo 'existe' si es razonable hablar de que viaja por sí solo. Matemáticamente se resuelve que las partículas solo pueden viajar por sí mismas si obedecen metro 2 = mi 2 − pags 2 .
@ user21820 "tomar energía prestada" no es real, por lo que las cosas que solo se explican a través de "tomar energía prestada" tampoco son reales.
Quizás la distinción más importante sea la siguiente: una partícula 'real' tiene el potencial de persistir. Una partícula virtual solo puede ser transitoria, desde el momento en que se 'crea'. No es que sea inestable, es que en realidad no asume un estado similar a una partícula. Si dos olas en medio del océano chocan y rocían agua hacia arriba, no dices que cada pequeña gota en el aire es una 'pequeña ola temporal': realmente están condenadas a contribuir solo en el momento en que las olas rompen. a la dinámica allí mismo, y luego desaparecer. Contraste con las olas que se van apagando lentamente a medida que viaja.
@AlexMeiburg: Ni Jonathan ni usted han proporcionado una instancia concreta de una partícula virtual que no pueda explicarse con energía prestada. Es una tontería hablar de las olas del océano como una analogía adecuada, como decir que muchas migajas hacen un pastel pero cada migaja no es un pastel. Tampoco abordó el hecho de que la radiación hawking requiere que las llamadas "partículas virtuales" persistan a veces, en contra de su afirmación de que una partícula virtual solo puede ser transitoria. Y solo porque no hayas visto persistir un bosón W no significa que no existió; tampoco has visto persistir el big bang...
@ user21820 ¿por qué deberíamos proporcionar un contraejemplo a una mala analogía? "Tomar prestada energía" no es cómo se comportan las partículas virtuales. Fin de la historia. Si desea los detalles, tome un semestre o dos de QFT de nivel de posgrado. Y a pesar de lo que las revistas de ciencia pop puedan llamarlo, la radiación de Hawking no son partículas virtuales.

Un neutrón no es un protón y un electrón.

La reacción involucrada en la desintegración beta es

norte → pags + mi − + v ¯ mi
dónde v ¯ mi es un antineutrino electrónico.

Pero incluso eso no significa que un neutrón sea un protón más un electrón más un antineutrino. Significa que los números cuánticos de un neutrón son los mismos que los de un estado que consta de un protón, un electrón y un antineutrino electrónico con la relación de momento angular adecuada. Y eso más el hecho de que la energía de masa de un neutrón excede la de los productos significa que la descomposición es tanto permitida como obligatoria.

Elección de "obligatorio" requerido por ley o mandato; obligatorio es intrigante. Decadencia obligatoria. ¿Quizás "inevitable" es menos antropomórfico?
Creo que la palabra "obligatorio" es un poco engañosa. Hay un tiempo de decaimiento característico para ese proceso (alrededor de 15 minutos para un neutrón libre, mucho más si el neutrón es estabilizado por la fuerte fuerza de los hadrones vecinos en un núcleo atómico). En escalas de tiempo mucho más largas que este tiempo de decaimiento, la probabilidad de que ocurra el decaimiento se acerca arbitrariamente al 100%, pero nunca llega a ser exactamente del 100%: siempre hay una pequeña probabilidad de que el neutrón no se desintegre durante cualquier período de tiempo arbitrariamente largo.
"Obligatorio" era una referencia al principio totalitario de Gell Man , aunque como noté, no recordé bien la cita.
@dmckee Sugerí "obligatorio" como humor, ¡es una suerte que resulte ser el término preciso de Gell-Mann! Gracias por la historia de la lección mínima de QM : "totalitario" suena aún más aterrador considerando la época :)
Gracias a ambos por responder a mi pregunta y eliminar mis conceptos erróneos. Súper útil

Las otras respuestas son correctas, pero también me gustaría ofrecer la declaración opuesta: un neutrón es un protón más un electrón.

Una cosa maravillosa sobre la física nuclear y de partículas es que puedes hacer "aritmética" con partículas. En cierto sentido, puedes decir que un protón y un electrón suman un neutrón, pags + mi − = norte . Esto es lo que tienes en decaimiento beta (si te falta algo, ten paciencia conmigo). Pero también puedes "hacer lo mismo en ambos lados" como en matemáticas (también conocidas como transformaciones de equivalencia). Agreguemos un positrón:

norte = pags + mi − | + mi + ⇒ norte + mi + = pags + mi − + mi + = pags

Tenga en cuenta que el positrón y el electrón se cancelan. La fórmula resultante pags = norte + mi + también puede ocurrir en la naturaleza, y se llama decaimiento beta-plus. Puedes hacer todo tipo de transformaciones, por ejemplo restar partículas (que es lo mismo que sumar antipartículas). También puedes convertir un electrón en un muón quitando un neutrino electrónico y añadiendo un neutrino muónico. Me gusta pensar que elimina la electronidad y agrega la muonidad:

mi − v mi + v m = m
o más convencionalmente:
mi + v ¯ mi + v m = m

Este cálculo funciona en la escala de núcleos, nucleones e incluso quarks. Este es el diagrama de Feynman de la respuesta de Johnathan Gross:

pags = tu + tu + d = tu + d + ( tu + W − ) = tu + d + tu + ( v ¯ mi + mi − ) = norte + v ¯ mi + mi −

Ahora vemos que la fórmula del principio está incompleta, nos faltaba el neutrino. La razón por la que parecía funcionar sin él es que solo estábamos considerando la carga eléctrica, pero el neutrino no tiene carga eléctrica.

La razón por la que estos lindos cálculos funcionan es esencialmente una propiedad llamada simetría cruzada y el hecho de que los números cuánticos se conservan. Pienso en esto como una versión para principiantes de los diagramas de Feynman (y de hecho creo que esto generalmente se enseña primero. Descubrí esto en la escuela, en el contexto de la descomposición nuclear, y este fue un gran momento "wow" que aumentó mi interés en física de partículas).

Por supuesto, hay algunas desventajas en esta visión simplista. Lo más importante es que no hay consideración de masas y defectos de masa. Solo las partículas más pesadas pueden descomponerse en otras más ligeras, más energía. Pero aparte de eso, este "calcular con partículas" puede ser muy útil, por ejemplo si olvidaste si poner un neutrino o un anti-neutrino.

Protón: 2 arriba, 1 abajo quark, Neutrón: 2 abajo, 1 arriba, ¿cómo Neutrón: protón + electrón?
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