¿Se pueden fusionar artificial o naturalmente un electrón y un protón para formar un neutrón?

La respuesta de una palabra es sí.

También tiene razón en que el neutrón no es solo un protón y un electrón viviendo juntos. El proceso de fusionar un protón y un electrón procede a través de la fuerza débil. Específicamente, un quark up en el protón intercambia un bosón W con el electrón. El bosón W transporta una unidad de carga positiva desde el quark hasta el electrón. En ese proceso, el quark up (carga +2/3) se convierte en un quark down (carga -1/3) de modo que el protón (uud) se convierte en un neutrón (udd). El electrón cargado negativamente se convierte en un neutrino. Este es un punto importante omitido en su pregunta. La reacción completa es$p+e^-\to n+\nu_e$.

Hay un principio general de la teoría cuántica de campos llamado simetría de cruce que establece aproximadamente que para cualquier proceso puedo intercambiar lo que llamo partículas iniciales y finales. Entonces tienes razón en que el decaimiento de neutrones$n\to p+ e^- + \bar\nu_e$implica que el proceso$p+e^-\to n+\nu_e$también puede pasar.

Este proceso también ocurre en la naturaleza. Es un modo de descomposición radiactiva de los núcleos. Algunos núcleos con una cantidad suficientemente grande de protones pueden volverse más estables al absorber uno de sus electrones y convertir un protón en un neutrón. Esto puede suceder porque los orbitales de electrones tienen una superposición pequeña pero distinta de cero con el núcleo, por lo que "a veces entran en contacto con" los protones.

Este proceso también puede ocurrir artificialmente como sugieres. De hecho, parece que los aceleradores que se usan en las instalaciones médicas producen neutrones como subproducto, exactamente como usted sugiere, y aparentemente esta es una dificultad que debe abordarse, consulte este artículo .

En general, debido a que la diferencia de masa entre el protón y el neutrón es de aproximadamente un MeV, en cualquier sistema que incluya protones y electrones a una temperatura del orden de un MeV o superior, necesariamente habrá poblaciones de neutrones y protones conectados entre sí por tales procesos, con cantidades relativas determinadas por los factores de Boltzmann relevantes. Esto debería incluir los sistemas en los que se produce la fusión térmica.

Sin embargo, el proceso real de producción de helio a partir de hidrógeno, según tengo entendido, no depende de capturar un electrón en un protón para formar un neutrón. En la nucleosíntesis estelar , dos protones se fusionan para formar deuterio. Es decir, en el proceso de fusión, un protón se convierte en un neutrón mediante la emisión de un positrón y un neutrino. El helio-2 (dos protones) es muy inestable, por lo que esta conversión de protón a neutrón que produce deuterio estable es más importante.

El decaimiento de neutrones es invariante en el tiempo, por lo que si uno tiene

también el proceso inverso

es posible. En realidad, el antineutrino entrante no es necesario, porque debido a la simetría de cruce también el proceso

es posible. Lo único que hay que asegurar es que la energía del electrón esté en el rango correcto, es decir, que tenga una energía de un par de MeV, para compensar la diferencia de masa entre el protón que es alrededor de 1,3 MeV más ligero que el neutrón y proporcionar algo de energía (en realidad, solo se necesita poca energía) al neutrino que ahora sale. La energía de los electrones no debe ser excesivamente alta para evitar la dispersión inelástica profunda.

Debe plantearse la cuestión de cómo producir neutrones de forma eficaz. Disparar electrones en átomos de hidrógeno es bastante ineficiente, ya que la mayoría de los electrones no se acercarán realmente al protón/núcleo. Disparar electrones en núcleos de uranio es más eficiente ya que el núcleo ya contiene 92 protones. Sin embargo, pueden surgir otros problemas (radiactividad).

Para responder a la pregunta de si esto ocurre de forma natural: sí. Esto es lo que sucede con la degeneración de neutrones en las estrellas de neutrones :

La degeneración de neutrones es análoga a la degeneración de electrones y se demuestra en las estrellas de neutrones, que están parcialmente soportadas por la presión de un gas de neutrones degenerado. El colapso ocurre cuando el núcleo de una enana blanca excede aproximadamente 1,4 masas solares , que es el límite de Chandrasekhar , por encima del cual el colapso no se detiene por la presión de los electrones degenerados . A medida que la estrella colapsa, la energía de Fermi de los electrones aumenta hasta el punto en que es energéticamente favorable para ellos combinarse con protones para producir neutrones (a través de la desintegración beta inversa , también denominada captura de electrones ). El resultado es una estrella extremadamente compacta compuesta de materia nuclear., que es predominantemente un gas de neutrones degenerados, a veces llamado neutronio , con una pequeña mezcla de gases de protones y electrones degenerados.

Tiene razón, que un neutrón no es simplemente la "fusión" de un electrón y un protón, sino que existe tal proceso cuando un electrón y un protón forman un neutrón. Por ejemplo, es una forma posible de desintegración de átomos ricos en protones, y se denomina captura de electrones (K-) en ese caso.

Pero para mí parece un proceso muy raro crear neutrones en la colisión de electrones y protones disparando electrones en gas/plasma de hidrógeno. Creo que los electrones y los protones deberían estar muy cerca uno del otro durante un tiempo "largo", lo que no es el caso en esta configuración, pero no estoy completamente seguro.

En la fusión, la fuente de neutrones es la descomposición de protones (en núcleos ricos en protones) en neutrones y positrones ( desintegración beta positiva ) o "colisiones" protón-protón que producen deuterio.