El Protón

Junto con los neutrones, los protones componen el núcleo, unidos por la fuerza fuerte nuclear. El protón es un barión y se considera que está compuesto de dos quarks up, y un quark down.

Durante mucho tiempo se ha considerado como una partícula estable, pero los recientes desarrollos de modelos de la Gran Unificación, han sugerido que podría decaer con una semi-vida de aproximadamente 1032 años. Se están realizando experimentos para ver si se pueden detectar tales decaimientos. El decaimiento del protón violaría la conservación del número bariónico y, al hacerlo, sería el único proceso conocido en la naturaleza que lo hace.

Cuando se dice que un protón está formado por dos quarks up y uno down, se quiere decir que su apariencia neta o su conjunto neto de números cuánticos, coinciden con esa imagen. La naturaleza del confinamiento de quarks sugiere que los quarks están rodeados por una nube de gluones, y dentro del diminuto volumen de los protones, se pueden producir otros pares quark-antiquark y luego aniquilarse sin cambiar la apariencia externa neta del protón.

Evidencia de la Estructura del Protón por Dispersión Inelástica Profunda
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Decaimiento del Protón

Una de las consecuencias de las teorías de la Gran Unificación, es que el protón decaería con una semi-vida por encima del orden de 1032 años. Una semi-vida tan larga es muy difícil de medir, pero se está llevando a cabo un experimento en una mina profunda en las minas de hierro de Soudan, en Minnesota, con la esperanza de conseguirlo. El experimento de desintegración del protón Soudan 2, se realizó entre 1989 a 2001, sin observar ningún decaimiento convincente de protones. Estos experimentos sirven para hacer retroceder el límite inferior en la semi-vida de desintegración del protón.

Otro conjunto de experimentos diseñados para detectar decaimiento de protones se llevó a cabo en el detector Cherenkov, en el Super Kamiokande en Japón. Ed Kearns de la Universidad de Boston sugirió los siguientes límites provisionales de la desintegración de protones en una revista en 2001.
Modos de decaimientos del protón
Mínima vida sugerida
x 1032 años
50
37
11
7,8
6,1
2,9

A partir de este punto, parece que el tiempo de vida del protón, sobrepasa de 1033 años. La lista de los modos de decaimientos de la izquierda no es exhaustiva. Hay otros modos bajo investigación que si se encuentran, sugerirían una supersimetría.

Modelado de la Probabilidad de Detección

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El Neutrón

Junto con los protones, los neutrones forman el núcleo, unidos por la fuerza fuerte nuclear. El neutrón es un barión y se considera que está compuesto de dos quarks down, y un quark up.

Un neutrón libre se desintegran con una semi-vida de unos 10,3 minutos, pero es estable si está combinado dentro del núcleo. El decaimiento del neutrón implica una interacción débil como se indica en el diagrama de Feynman de la derecha. Este hecho es importante en los modelos del universo primitivo. El neutrón es aproximadamente un 0,2% más masivo que el protón, lo cual se traduce en una diferencia de energía de 1,29 MeV.

El decaimiento del neutrón está asociado con una transformación de quarks en la que por la interacción débil, un quark down se convierte en uno up. El tiempo de vida media de 10,3 min/0,693 = 14,9 minutos, es sorprendentemente largo para un decaimiento de partículas que produce 1,29 MeV de energía. Se podría decir que este decaimiento tiene una "cuesta abajo" de energía pronunciada, y se esperaba que se produjera con rapidez. Es posible que un protón se pudiese transformar en un neutrón, pero se tiene que proporcionar 1,29 MeV de energía para alcanzar el umbral para esa transformación. En las etapas más tempranas del big bang cuando la energía térmica era mucho mayor que 1,29 MeV, se supone que la transformación entre protones y neutrones se desarrollaba libremente en ambas direcciones, así que había una población esencialmente igual de protones y neutrones

Descubrimiento del NeutrónDecaimiento del Neutrón
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Decaimiento del Neutrón

Un neutrón libre, decaerá con una semi-vida de unos 10,3 minutos, pero es estable si está combinado en el interior del núcleo. Este decaimiento es un ejemplo del decaimiento beta, con la emisión de un electrón y un antineutrino electrónico. El decaimiento del neutrón implica la interacción débil como se indica en el diagrama de Feynman de la derecha.

Un diagrama más detallado del decaimiento del neutrón lo identifica como la transformación de uno de los quarks down del neutrón, en un quark up. Es un ejemplo del tipo de transformaciones de quarks que están implicados en muchos procesos nucleares, incluyendo la desintegración beta.

El decaimiento del neutrón es un buen ejemplo de las observaciones que condujeron al descubrimiento del neutrino. Se puede utilizar un análisis de la energética del decaimiento, para ilustrar los dilemas que enfrentaron los primeros investigadores de este proceso.

Utilizando el concepto de energía de enlace, y representando las masas de las partículas por sus energías de masa en reposo, se puede calcular la producción de energía a partir del decaimiento de neutrones a partir de las masas de las partículas. El producto energético es tradicionalmente representado por el símbolo Q. Dado que en el decaimiento se deben conservar la energía y el momento, se sigue que el electrón más ligero arrastra la mayor parte de la energía cinética. Con una energía cinética de esta magnitud, se debe utilizar la expresión de la energía cinética relativista.

Por el momento se presume (incorrectamente) que el decaimiento involucra sólo como productos, al protón y al electrón. La producción de energía Q se dividiría entre el protón y el electrón. El electrón obtendrá la mayor parte de la energía cinética y será relativista, pero el protón es no relativista. El balance de energía es entonces

En el marco de referencia en reposo del neutrón, la conservación del momento requiere

pcelectrón = - pcprotón

y pcelectrón se puede expresar en términos de la energía cinética del electrón

Mostrar

El balance de energía viene a ser entonces

Cuando se sustituyen los números para este valor de Q, se ve que el término KEe2 es despreciable, por lo que se puede calcular la energía cinética requerida del electrón. La energía cinética requerida del electrón para este esquema de decaimiento de dos partículas es

Del mismo modo, el momento del electrón para este decaimiento de dos partículas está limitado a ser

El momento y la energía del decaimiento de dos partículas está limitado a estos valores, pero esta no es la forma en que se comporta la naturaleza. El momento observado y las distribuciones de energía del electrón, son como se muestran abajo.

El hecho de que los electrones producidos por la descomposición de neutrones tuvieran distribuciones continuas de energía y momento, era una clara indicación de que junto con el electrón y el protón, se había emitido otra partícula. Tenía que ser una partícula neutra, y en ciertos decaimientos se llevaba casi toda la energía y momento. Esto no habría sido tan extraordinario excepto por el hecho de que cuando el electrón tenía su máxima energía cinética, representaba toda la energía Q disponible del decaimiento. Así que no había energía sobrante para tener en cuenta la energía de masa de la otra partícula emitida. Los primeros experimentadores se enfrentaron al dilema de una partícula que podría llevarse casi toda la energía y momento del decaimiento, pero que no tenía carga y ¡aparentemente sin masa!.

La misteriosa partícula fue llamada neutrino, pero veinte cinco años antes Cowan y Reines llevaron a cabo una observación inequívoca experimental del mismo. La comprensión actual de la desintegración del neutrón es

Este decaimiento ilustra algunas de las leyes de conservación que rigen el decaimiento de partículas. El protón en el producto satisface la conservación del número bariónico, pero la aparición del electrón no acompañado violaría la conservación del número de leptones. La tercera partícula debe ser un antineutrino electrónico para permitir al decaimiento satisfacer la conservación del número leptónico. El electrón tiene un número leptónico 1, y el antineutrino tiene el número leptónico -1.

Detección Experimental de Neutrinos
Estabilidad del Neutrón en el Deuterón
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Referencia
Griffiths
Cap. 2
 
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