¿Qué pasa con la masa ligeramente mayor del neutrón en comparación con el protón?

Las masas y el acoplamiento entre quarks son parámetros libres en el modelo estándar, por lo que no existe una explicación real a ese hecho.

Sobre la medida: puedes echar un vistazo a este artículo de wikipedia sobre las trampas de Penning que son dispositivos utilizados para medidas de precisión de núcleo. A través de la frecuencia del ciclotrón (factor de Larmor) podemos obtener la masa de la partícula.

Editar: "Un neutrón es un protón + un electrón" es una respuesta común a esta pregunta, pero es un razonamiento totalmente inválido.

Tanto los protones como los neutrones están formados por tres quarks. La masa de los quarks no se conoce con suficiente precisión, y lo que es más importante (y ese es el por qué de las masas de los quarks), la interacción entre ellos es responsable del valor de la masa en una extensión mucho mayor.

Un protón está formado por dos quarks up y un quark down, mientras que un neutrón está formado por dos quarks down y un quark up. Las masas de los quarks contribuyen muy poco a la masa real del protón y el neutrón, que en su mayoría surge de la energía asociada con las fuertes interacciones entre los quarks. Aún así, contribuyen con una pequeña fracción, y el quark down es ligeramente más pesado que el quark up, lo que explica aproximadamente la diferencia. (Las masas de los quarks arriba y abajo, debido a que son tan pequeñas, no se miden muy bien, y los cálculos detallados de cuáles serían las masas de protones y neutrones para masas de quarks dadas son difíciles. Por lo tanto, es difícil ser cuantitativo acerca de la respuesta de manera precisa.)

Puede leer un poco sobre el estado del arte en los cálculos de la masa del protón aquí: http://news.sciencemag.org/sciencenow/2008/11/21-02.html

Un artículo reciente [1] calculó la diferencia de masa ab initio a partir de la teoría, usando una técnica conocida como red, donde uno escribe las ecuaciones en un espacio-tiempo discretizado (esto es conceptualmente similar a lo que hacen los ingenieros con el método de elementos finitos para estudiar cómo un viga de metal se flexiona por ejemplo). tomaron en cuenta

• las contribuciones del electromagnetismo y de la interacción fuerte,
• la diferencia de masa entre los quarks up y down,
• arriba, abajo, extraño y encanto en el mar de quarks [*],

Su resultado es

para ser comparado con el valor experimental,

con un error de órdenes de magnitud menor. Esto es bastante impresionante: una precisión de 390 keV y, según el artículo, una prueba de que$m_n > m_p$al nivel de 5 desviaciones estándar. Nuevamente, ab initio, solo del Modelo Estándar.

Los autores de ese trabajo también dan las contribuciones respectivas del electromagnetismo y de la interacción fuerte. Esto es muy interesante ya que la energía electrostática, solo basada en las cargas de los quarks, se pensaría ingenuamente que es negativa para el neutrón pero cero para el protón, en promedio [**]. Su resultado es que

• $(m_n-m_p)_\text{QCD}=2.52(17)(24)$MeV,
• $(m_n-m_p)_\text{QED}=-1.00(07)(14)$MeV,

donde QCD significa Quantum ChromoDynamics, nuestra mejor teoría de la interacción fuerte, y QED significa Quantum ElectroDynamics, nuestra mejor teoría del electromagnetismo. De hecho, lo diferente de la energía electrostática está en la dirección intuitiva que acabo de resaltar anteriormente. Esto se compensa con la contribución de la fuerte interacción que va en la otra dirección. No tengo una razón intuitiva para compartir eso.

[*] Los protones y los neutrones están hechos de 3 llamados quarks de valencia, pero también de una "sopa" de otros pares de quarks-antiquarks que se llama el mar.

[**] La suma del producto de los cargos son$\frac{2}{3}\frac{2}{3} + \frac{2}{3}\frac{-1}{3}+ \frac{2}{3}\frac{-1}{3}=0$para el protón pero$\frac{2}{3}\frac{-1}{3} + \frac{2}{3}\frac{-1}{3}+ \frac{-1}{3}\frac{-1}{3}=-\frac{1}{3}$para el neutrón.

[1] talla Borsanyi, S. Durr, Z. Fodor, C. Hoelbling, SD Katz, S. Krieg, L. Lellouch, T. Lippert, A. Portelli, KK Szabo y BC Toth. Cálculo ab initio de la diferencia de masa neutrón-protón. Ciencia, 347(6229):1452–1455, 2015. arxiv.org/abs/1406.4088

Podemos escribir aproximadamente asumiendo energía fuerte$E_s$La contribución dentro del protón y el neutrón es casi la misma:

$m_n c^2 = m_d c^2 +m_d c^2 +m_u c^2 +E_s$

$m_p c^2 = m_u c^2 +m_u c^2 +m_d c^2 +E_s +E_c$en términos de masas de quarks u y d y$E_c$- energía electrostática alrededor y dentro del protón, que se puede calcular clásicamente$E_c = \frac{3}{5} \frac{k e^2} {R} = 1 MeV$, y R=0,87 fm es el radio de carga de los experimentos de dispersión. Así tenemos$m_n c^2 -m_p c^2$=$m_d c^2 - m_u c^2 - E_c$= 4,8 MeV - 2,3 MeV - 1 MeV = 1,5 MeV

Por otro lado tenemos$m_n c^2 -m_p c^2$= 1,3 MeV, es decir, muy cerca (y las masas de los quarks no se conocen con tanta precisión)