¿Qué experimento (s) tiene o puede refutar la existencia de un "sistema" de partículas de electrones sobre la existencia separada de un neutrón dentro de sí mismo?

El neutrón no está "compuesto" de ningún modo por un protón y un electrón. Puede decaer en un protón, un electrón y un antineutrino. Pero eso no significa que estas tres partículas coexistan literalmente dentro del neutrón al principio. En cambio, la descomposición implica una transmutación real de partículas elementales. Lo único que se puede decir debido a la desintegración es que el neutrón contiene el mismo valor de cargas conservadas (y al menos la misma energía) que la unión del "protón, electrón y antineutrino".

Tales transmutaciones ocurren todo el tiempo, según la teoría cuántica de campos. Las partículas pueden incluso crearse a partir de energía pura (de la nada) y aniquilarse en energía pura. Por ejemplo, cuando dos protones en el LHC chocan, su energía total es de 13 TeV (bueno, lo será en semanas) y se pueden crear 10 nuevos protones, 15 nuevos antiprotones, algunos neutrones, antineutrones, positrones y muchos neutrinos. por no hablar de piones y muones. Eso es mundano y está permitido porque las leyes de conservación (para la carga eléctrica, la energía y el momento) se obedecen fácilmente. La energía, la energía cinética de los protones que chocan, puede tomar la forma de la masa de nuevas partículas, según la teoría de Einstein.$E=mc^2$. Debido a que la naturaleza permite que se creen y aniquilen "partículas individuales", también permite que cambie su "tipo" (este cambio puede verse como una combinación de aniquilación y creación), y la descomposición del protón es un ejemplo de tal cambiar.

El objeto compuesto por un protón y un electrón se conoce como átomo de hidrógeno. Se pueden hacer muchos experimentos que demuestren que el neutrón no es un átomo de hidrógeno. Por ejemplo, el átomo de hidrógeno puede ionizarse con una radiación de 13,6 eV, pero al neutrón no le importa en absoluto esa radiación de baja energía.

El neutrón es tan pequeño como el propio protón. El átomo de hidrógeno, que contiene el electrón extra, aparte del protón, es unas 10.000 veces más grande. Esto tiene la implicación de que el neutrón se comporta como un núcleo sin carga y no exhibe fenómenos de física atómica, solo física nuclear, mientras que los estados ligados que involucran electrones siempre tienen propiedades de física atómica (química...).

Es la presencia del electrón en el átomo lo que hace que el objeto sea bastante grande. Los átomos son grandes gracias al principio de incertidumbre. Para que una partícula ligera como un electrón obedezca el principio de incertidumbre, una energía cinética limitada (un momento muy limitado) conduce a una gran incertidumbre en la posición, y esta incertidumbre$\Delta x$determina el tamaño del átomo. No hay electrones dentro de un neutrón, por lo que no es necesario "comprimir" dichos electrones en un espacio pequeño.

De acuerdo con QCD, Quantum Chromodynamics, un protón se compone de 2 quarks up y 1 down-quark mientras que un neutrón se compone de 2 down-quarks y 1 up-quark (más muchos gluones y pares de partículas-antipartículas, etc., en ambos casos). Desde este punto de vista de QCD, el protón y el neutrón son exactamente igualmente "compuestos" (no demasiado elementales). Ninguno de ellos contiene un electrón.

De hecho, incluso sin QCD, su lógica permitiría afirmar que el protón es más compuesto que el neutrón. Al igual que un neutrón puede decaer en un protón, electrón, antineutrino, un protón bombardeado por rayos gamma (que son "casi nada") puede decaer en un neutrón, un positrón y un neutrino. Pero el protón tampoco está "hecho" de un neutrón y un positrón. La situación es análoga a la opuesta (excepto que necesitábamos el fotón adicional porque el protón era más ligero que el neutrón y estable, o casi estable).

Una de las primeras evidencias de que el neutrón es un componente sin carga del núcleo, con aproximadamente la masa del protón, en realidad proviene del principio de exclusión y las capacidades caloríficas a baja temperatura y los espectros de excitación de los gases atómicos. El argumento es un poco sutil, así que tendrás que tener paciencia conmigo.

Primero, tenemos el principio de exclusión de los electrones: la probabilidad de encontrar dos electrones diferentes exactamente en el mismo estado mecánico cuántico es cero. Esto se logra en las matemáticas de la mecánica cuántica exigiendo que las funciones de onda de los electrones sean "antisimétricas bajo intercambio". Es decir, si tengo mi "primer" electrón en algún estado$\left|a\right>$, y mi "segundo" electrón en algún estado$\left|b\right>$, entonces mi función de onda total debe ser (hasta una constante irrelevante)

$$\left|\text{total}\right> = \left|a\right>_1 \left|b\right>_2 - \left|b\right>_1 \left|a\right>_2$$ Esta construcción tiene dos efectos. Primero, si viene alguien más y etiqueta el "primer" y el "segundo" electrón de manera diferente --- o, si intercambian lugares --- entonces la función de onda $\left|\text{total}\right>$cambia de signo. Esto es lo que se entiende por "anti"-simetría. En segundo lugar, si los dos estados $\left|a\right>$y $\left|b\right>$son iguales, entonces la función de onda $\left|\text{total}\right>$es idénticamente cero. Esta es la parte de "exclusión": simplemente no hay una descripción permitida de dos electrones en el mismo estado.

Ahora bien, ¿qué otras partículas obedecen al principio de exclusión? La molécula de hidrógeno,$\rm H_2$, es un buen sistema, porque está hecho solo de electrones y protones. La molécula es un rotor cuya energía está determinada por el número cuántico del momento angular$L$. El espín nuclear total,$S$, no tiene mucho efecto sobre la energía porque la interacción entre los espines de los dos protones es bastante débil; esta debilidad también hace que el espín total de los protones sea bastante estable frente a los cambios de temperatura de la fase gaseosa del material. Hay cuatro formas de combinar los espines de los protones (nuevamente ignorando una constante de normalización):

$$\begin{align} \text{antisymmetric: } \left|S=0\right> &= \quad \left| \downarrow\uparrow \right> - \left| \uparrow\downarrow \right> \\ \text{symmetric: } \left|S=1\right> &= \left\{ \begin{array}{c} \left| \uparrow\uparrow \right> \\ \left| \downarrow\uparrow \right> + \left| \uparrow\downarrow \right> \\ \left| \downarrow\downarrow \right> \\ \end{array} \right. \end{align}$$ Dado que hay tres veces más formas de ser simétrico, esperamos que el hidrógeno gaseoso a alta temperatura eventualmente tenga alrededor del 75% de sus moléculas en el simétrico. $S=1$estado.

Bajo simetría de intercambio, estados con incluso$L$son simétricos, mientras que los estados con impares$L$son antisimétricos. Si el protón obedeciera el principio de exclusión, nuestro argumento sobre la antisimetría general sugeriría que las moléculas de hidrógeno con$S=0$solo debería tener incluso$L$y moléculas con$S=1$solo debe tener impares$L$, de modo que cada molécula de hidrógeno es antisimétrica en el intercambio. Y esto es de hecho lo que vemos. En los espectros de excitación del gas de hidrógeno caliente, las transiciones entre estados con impar$L$son aproximadamente tres veces más comunes que las transiciones entre estados con incluso$L$y transiciones que cambian$L$de impar a par o viceversa faltan. Sin embargo, cuando licuas el hidrógeno, todas las moléculas intentarán entrar en el$L=0, S=0$estado fundamental de "parahidrógeno" (una transición que libera casi tanto calor por molécula como el calor de vaporización), y el gas de hidrógeno tibio recientemente licuado experimenta solo la$L$transiciones Esta distinción entre parahidrógeno y "ortohidrógeno" (el$S=1$, extraño-$L$componente) fue la primera evidencia de que los protones, como los electrones, obedecen al principio de exclusión. (El teorema de la estadística de espín llegó más tarde).

Entonces, consideremos un modelo donde

• los electrones obedecen el principio de exclusión
• los protones obedecen el principio de exclusión
• el neutrón es un estado ligado electrón-protón, que es distinto del átomo de hidrógeno neutro por razones no especificadas.

Inmediatamente vemos que el neutrón debe tener un comportamiento diferente bajo simetría de intercambio que el electrón o el protón. Si el intercambio de dos electrones hace que la función de onda cambie de signo, y el intercambio de dos protones hace que la función de onda cambie de signo, entonces el intercambio de dos neutrones debe hacer que la función de onda cambie de signo dos veces , es decir, ¡ningún cambio! Tal neutrón, por lo tanto, no obedece el principio de exclusión de Pauli. Podemos usar esta información para predecir el comportamiento de los otros gases diatómicos ligeros:

• Las moléculas de oxígeno (con un número par de protones) deben ser simétricas en el intercambio, y la igualdad$L$espectro debe dominar sobre el impar$L$espectro. El modelo acierta en esto: de hecho, en$\rm O_2$moléculas extrañas$L$falta completamente el espectro, consistente con el núcleo de oxígeno que tiene espín total cero.

• Las moléculas de flúor (con un número impar de protones) deberían ser antisimétricas en el intercambio y, como el hidrógeno, deberían tener más protones impares.$L$transiciones que incluso-$L$. El modelo también acierta en esto: el núcleo de flúor tiene espín$\hbar/2$, como el protón solitario.

• Las moléculas de nitrógeno (con un número impar de protones) deberían ser antisimétricas en el intercambio y, como el hidrógeno, deberían tener más protones impares.$L$transiciones que incluso-$L$. Aquí estamos en problemas: la realidad es al revés, y las estadísticas son consistentes con el núcleo de nitrógeno que tiene un espín de$\hbar$.

La explicación contemporánea, por supuesto, es que el modelo neutrón electrón-protón es erróneo: el neutrón tiene espín$\hbar/2$, obedece al principio de exclusión, y la simetría de intercambio de un núcleo depende de si el número de nucleones es par o impar, en lugar del número de protones solamente. Por supuesto, los neutrones tenían que ser producidos antes de que pudiera decirse que habían sido "descubiertos", pero la necesidad de un nucleón neutral que obedeciera al principio de exclusión ya estaba establecida.

En este punto, es posible que desee retroceder y preguntarse si el neutrón es un estado ligado metaestable del protón, el electrón y el antineutrino. Pero eso te abre a toda una ráfaga de otras preguntas. ¿Por qué no un protón y un pión negativo? ¿Por qué los núcleos son estables frente a la desintegración beta? ¿Puede un modelo de este tipo predecir (como lo hace el modelo estándar) las tasas de desintegración beta y las secciones transversales para la captura de neutrinos? ¿Por qué el tamaño del neutrón es comparable al tamaño del protón, dada la incertidumbre en el impulso de sus constituyentes ligados ligeros? ¿Por qué las interacciones neutrón-núcleo cerca de las energías de desintegración beta pueden desencadenar interacciones fuertes y electromagnéticas, pero no pueden desencadenar interacciones débiles? La lista sigue y sigue.