¿Neutrones libres en el núcleo del sol?

Question

En la descripción estándar de la fusión protón-protón el primer paso de la interacción procede a través del diprotón no unido $\rm^2He$ : $$ \begin{aligned} \rm p + p &\to \rm {}^2He^* \\ \rm ^2He^* &\to \rm{} ^2H + e^+ + \nu_e \\ \rm e^+ + e^- &\to \gamma + \gamma \end{aligned} \tag{p-p} $$ En los emisores nucleares de positrones siempre hay cierta competencia con la captura de electrones. En la imagen estándar la rama de captura de electrones es $$\begin{aligned} \rm p + e^- + p &\to \rm {}^2H + \nu_e \end{aligned} \tag{p-e-p} $$ La posibilidad de distinguir entre estos aparentemente surge porque la fusión p-e-p da neutrinos con una energía particular, que es más alta que el punto final del espectro de energía de los neutrinos p-p. Si la situación experimental es correcta, en 2012 o 2014 se observaron neutrinos solares consistentes con la energía p-e-p, pero los experimentos de neutrinos solares siguen siendo ciegos a los neutrinos p-p.

Yo esperaría alguna contribución al proceso p-p de la formación de neutrones libres: $$ \begin{aligned} \rm p + e^- &\to \rm n + \nu_e \\ \rm p + n &\to \rm{}^2H + \gamma \end{aligned} \tag{n} $$ El primer paso de este proceso es endotérmico: si se deja solo, el neutrón se descompone en protón, electrón y antineutrino, liberando unos 780 keV. Sin embargo, la temperatura del núcleo del sol es de 10-15 MK, lo que significa que las partículas del núcleo tienen los típicos energías cinéticas $kT \approx 1\rm\,MeV$ bastante caliente para impulsar la desintegración beta inversa.

¿Existe un gas de neutrones libres en equilibrio secular en el núcleo del Sol? Si es así, ¿por qué se omite en los debates sobre la fusión solar? Si no, ¿por qué no?

Editado para observar que soy un idiota. Me he pasado el valor de $k$ y en realidad $kT\approx\rm1\,keV$ . Si hay neutrones en equilibrio secular, entonces, provendrán en su mayoría de la fotodisociación del deuterio.

Answer 1

El núcleo del sol tiene una densidad de

de 150 g/cm³ (150 veces la densidad del agua líquida) en el centro, y una temperatura cercana a los 15.700.000 kelvin, o unos 15.700.000 grados Celsius; en cambio, la superficie del Sol está cerca de los 6.000 kelvin. El núcleo está formado por gas caliente y denso en estado plasmático, a una presión estimada de 265.000 millones de bares (26,5 petapascales (PPa) o 3,84 billones de psi) en el centro.

Las estrellas de neutrones tienen una densidad

Estrellas de neutrones tienen densidades globales de 3,7×10^17 a 5,9×10^17 kg/m3 (2,6×1014 a 4,1×10^14 veces la densidad del Sol), lo que es comparable a la densidad aproximada de un núcleo atómico de 3×10^17 kg/m3.

El neutrón es una partícula inestable cuando está libre. Vida media 881,5(15) s (libre)

Su estabilidad en el núcleo ( y no para todos los núcleos, existe la desintegración beta) se debe a la fuerza fuerte que crea un potencial que liga al neutrón por debajo de un nivel de energía libre. Así, la densidad de la materia donde aparece el neutrón tiene que ser del orden de las densidades nucleares para tener las energías de enlace equivalentes y la supresión de las desintegraciones.

Las densidades del plasma en el núcleo del sol son del orden de magnitudes inferiores a las densidades nucleares necesarias para que el neutrón participe en el plasma. Una vez producido, decae en un protón, un neutrino electrónico y un antineutrino electrónico. Ningún neutrón libre sobrevive más de unos minutos para tener un efecto significativo en los procesos de fusión.

Para profundizar un poco en las energías disponibles en el plasma solar , una temperatura de ~1,5x10^7 grados kelvin, utilizando un factor de conversión de 8,6x10^-5eV , sale como

~ 1,3 keV.

Para que la dispersión de un electrón en un plasma de este tipo sobre un protón produzca un neutrón, sólo la cola de la distribución de electrones puede tener las energías necesarias para la creación de un neutrón: la diferencia de masa protón-neutrón ~1,4 MeV y además el neutrino se llevará parte de la energía.

El pequeño número de neutrones producidos a partir de la cola del electrón protón distribuciones de energía disminuirá aún más por la desintegración del neutrón . Por lo tanto, no habrá ningún subconjunto estable de neutrones en el plasma, incluso ignorando que cuando chocan con un protón hay una buena probabilidad de que se unan en un deuterón y por lo tanto estén fuera del hipotético "gas".