Fuera del núcleo , los neutrones libres son inestables y tienen una vida media de879,6 ± 0,8 s (aproximadamente 14 minutos, 39,6 segundos). [1] Por lo tanto, la vida media de este proceso (que difiere de la vida media en un factor de ln (2) ≈ 0,693 ) es611 ± 1 s (aproximadamente 10 minutos, 11 segundos). [2] La desintegración beta del neutrón, descrita anteriormente, se puede denotar de la siguiente manera: [3]
Esta descomposición, como cualquier proceso de cambio de sabor , ocurre mediante la operación de la fuerza débil . Implica la emisión de un
W-
bosón de uno de los quarks abajo dentro del neutrón, convirtiendo así el quark abajo en un quark arriba y el neutrón en un protón; la
W-
luego decae en el electrón y el antineutrino . Las siguientes ecuaciones denotan el mismo proceso que la primera ecuación anterior, pero también incluyen el de corta duración
W-
y describe el proceso tanto a nivel de nucleón como de quark :
Para el neutrón libre, la energía de desintegración para este proceso (basada en las masas en reposo del neutrón, protón y electrón) es 0,782343 MeV. Esa es la diferencia entre la masa en reposo del neutrón y la suma de las masas en reposo de los productos. Esa diferencia debe llevarse como energía cinética . La energía máxima del electrón de desintegración beta (en el proceso en el que el neutrino recibe una pequeña cantidad de energía cinética) se ha medido en 0,782 ± 0,013 MeV. [4] El último número no está lo suficientemente bien medido para determinar la masa en reposo comparativamente pequeña del neutrino (que en teoría debe restarse de la energía cinética máxima del electrón); además, la masa de neutrinos está limitada por muchos otros métodos.
Una pequeña fracción (aproximadamente uno en 1000) de neutrones libres se desintegra con los mismos productos, pero agrega una partícula adicional en forma de rayo gamma emitido :
norte0
→ pag+ + mi- + νmi + γ
Este rayo gamma se puede considerar como una especie de " bremsstrahlung interno " que surge cuando la partícula beta emitida (electrón) interactúa con la carga del protón de una manera electromagnética. En este proceso, parte de la energía de desintegración se lleva como energía fotónica . La producción interna de rayos gamma bremsstrahlung es también una característica menor de las desintegraciones beta de los neutrones ligados, es decir, los que están dentro de un núcleo.
Una minoría muy pequeña de desintegraciones de neutrones (alrededor de cuatro por millón) son las llamadas "desintegraciones de dos cuerpos (neutrones)", en las que se producen un protón, un electrón y un antineutrino como de costumbre, pero el electrón no alcanza los 13,6 eV necesarios. energía para escapar del protón (la energía de ionización del hidrógeno ) y, por lo tanto, simplemente permanece unido a él, como un átomo de hidrógeno neutro (uno de los "dos cuerpos"). En este tipo de desintegración de neutrones libres, en esencia, toda la energía de desintegración de neutrones es llevada por el antineutrino (el otro "cuerpo").
La transformación de un protón libre en un neutrón (más un positrón y un neutrino) es energéticamente imposible, ya que un neutrón libre tiene una masa mayor que un protón libre. [ cita requerida ] Sin embargo, vea la desintegración de protones .
Rompecabezas de vida útil de neutrones
Si bien la vida útil de los neutrones se ha estudiado durante décadas, actualmente existe una falta de consiliencia sobre su valor exacto, debido a los diferentes resultados de dos métodos experimentales ("botella" versus "haz" [5] ). Si bien el margen de error alguna vez se superpuso, el creciente refinamiento en la técnica que debería haber resuelto el problema no ha logrado demostrar la convergencia a un solo valor. [6] [7] [8] [9] La diferencia en los valores medios de vida obtenidos a partir de 2014 fue de aproximadamente 9 segundos. [7] Además, una predicción del valor basada en la cromodinámica cuántica a partir de 2018 todavía no es lo suficientemente precisa para respaldar una sobre la otra. [10] Como se discutió en Quanta Magazine, [5] la prueba del rayo sería incorrecta si hay un modo de desintegración que no produce un protón.
Referencias
- ^ [1] Revisión de 2020 de física de partículas. Vida media de neutrones
- ^ J. Beringer y col. (Grupo de datos de partículas), Phys. Rev. D86, 010001 (2012) http://pdg.lbl.gov/2012/tables/rpp2012-sum-baryons.pdf
- ^ Tabla de datos de resumen del grupo de datos de partículas sobre bariones . lbl.gov (2007). Consultado el 16 de agosto de 2012.
- ^ Ideas y conceptos básicos en física nuclear: un enfoque introductorio, tercera edición K. Heyde Taylor & Francis 2004. Imprimir ISBN 978-0-7503-0980-6 . libro electronico ISBN 978-1-4200-5494-1 . DOI: 10.1201 / 9781420054941.ch5 ( texto completo ).
- ^ a b Wolchover, Natalie (13 de febrero de 2018). "Neutron Lifetime Puzzle se profundiza, pero no se ve materia oscura" . Revista Quanta . Consultado el 31 de julio de 2018 .
Cuando los físicos extraen los neutrones de los núcleos atómicos, los colocan en una botella y luego cuentan cuántos quedan allí después de un tiempo, infieren que los neutrones se desintegran radiactivamente en 14 minutos y 39 segundos, en promedio. Pero cuando otros físicos generan haces de neutrones y cuentan los protones emergentes, las partículas en las que se desintegran los neutrones libres, fijan la vida media de los neutrones en alrededor de 14 minutos y 48 segundos. La discrepancia entre las mediciones de "botella" y "haz" ha persistido desde que ambos métodos de medir la longevidad del neutrón comenzaron a dar resultados en la década de 1990. Al principio, todas las medidas eran tan imprecisas que nadie se preocupó. Sin embargo, ambos métodos han mejorado gradualmente y aún no están de acuerdo.
- ^ Paul, Stephan (2009). "El rompecabezas de la vida útil de los neutrones". Instrumentos y métodos nucleares en la investigación de la física Sección A: Aceleradores, espectrómetros, detectores y equipos asociados . 611 (2-3): 157-166. arXiv : 0902.0169 . Código Bibliográfico : 2009NIMPA.611..157P . doi : 10.1016 / j.nima.2009.07.095 . ISSN 0168-9002 . S2CID 9765336 .
- ^ a b Moskowitz, Clara (2014). "El misterio de la muerte de neutrones ha bloqueado a los físicos". Naturaleza . doi : 10.1038 / nature.2014.15219 . ISSN 1476-4687 . S2CID 123870434 .
- ^ Greene, Geoffrey L .; Geltenbort, Peter (2016). "El enigma de neutrones". Scientific American . 314 (4): 36–41. Código Bibliográfico : 2016SciAm.314d..36G . doi : 10.1038 / scientificamerican0416-36 . ISSN 0036-8733 . OSTI 1481712 . PMID 27082189 .
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- ^ "Los científicos nucleares calculan el valor de la propiedad clave que impulsa la desintegración de neutrones" . Laboratorio Nacional de Brookhaven . 30 de mayo de 2018 . Consultado el 31 de julio de 2018 .
Los científicos ya han utilizado el nuevo cálculo de acoplamiento axial de nucleones para derivar una predicción puramente teórica de la vida útil del neutrón. En este momento, este nuevo valor es consistente con los resultados de ambos tipos de medición experimental, que difieren en tan solo 9 segundos. “Tenemos un número para la vida útil de los neutrones: 14 minutos y 40 segundos con una barra de error de 14 segundos. Eso está justo en el medio de los valores medidos por los dos tipos de experimentos, con una barra de error que es grande y se superpone a ambos ”, dijo Rinaldi.
Literatura
- Б. Г. Ерозолимский (1975). "Бета-распад нейтрона" . Успехи физических наук . 116 (1): 145-164.