¿Hay alguna forma de atraer o repeler neutrones?

Question

Sé que los neutrones son neutros y no tienen carga, pero ¿hay alguna otra forma de interactuar con ellos?

Answer 1

Respuesta corta: dirigir neutrones es posible, pero difícil, y es muy diferente de atraer o repeler partículas cargadas.

El neutrón participa en las cuatro interacciones fundamentales: siente las fuerzas nucleares fuertes y débiles; su momento magnético acopla su movimiento a los campos electromagnéticos y, como todos los objetos inmersos en el espacio-tiempo, es sensible a la gravedad.

Por un margen abrumador, la más importante es la fuerza nuclear fuerte. Es una fuerza de contacto: la parte de largo alcance de la fuerza fuerte está mediada por el intercambio de mesones pi, que tienen una masa de unos 140 MeV, por lo que el potencial asociado $V_\text{strong} \propto r^{-1} e^{ -m_\pi r}$ disminuye exponencialmente en una escala de longitud de $r_\text{strong} =\hbar c/m_\pi c^2 \approx 1\rm\,fm$ . A menos que la función de onda de un neutrón se superponga realmente con un núcleo, ese núcleo es invisible y la fuerza fuerte no aporta nada. Los cambios en la energía cinética de los neutrones debidos a las interacciones fuertes, como la emisión de neutrones de un núcleo, suelen estar en la escala de millones de electrón-voltios (es decir, MeV). Guarda ese número para más adelante.

La fuerza débil se puede tratar de la misma manera, excepto que los bosones mediadores --- el $W$ y $Z$ --- son mucho más pesados, por lo que el alcance de la fuerza es más corto, aproximadamente $10^{-3}\rm\,fm$ . Cualquier efecto sobre un neutrón trayectoria debido a la interacción débil es, por tanto, siempre superado por el efecto debido a la interacción fuerte. (Demostrar que la interacción débil contribuye en absoluto requiere buscar efectos de violación de la paridad, que es algo a lo que dedico mucho tiempo pero que es tangencial a tu pregunta). Estoy ignorando la desintegración del neutrón aquí, ya que no queda un neutrón después para atraer o repeler.

El neutrón no tiene carga eléctrica y, por tanto, no siente los campos eléctricos. El neutrón hace tienen un momento magnético y por lo tanto hace sentir los campos magnéticos. Sin embargo, el momento magnético del neutrón es bastante pequeño, $\mu \approx 50\rm\,neV/T$ . Si tengo un neutrón típico de un mega-eva que está en un campo magnético a escala de tesla, y la orientación del espín del neutrón con respecto al campo cambia, entonces el cambio de nano-eva en la energía magnética $U=-\vec\mu\cdot\vec B$ es una corrección de sub-partes por trillón de la energía total. Aparte del caso especial que se expone a continuación, no se pueden dirigir los neutrones utilizando campos magnéticos de forma práctica.

Igualmente la gravedad: la fuerza gravitacional sobre un neutrón cerca de la superficie de la Tierra es $m_\text{n}g \approx 100\rm\,neV/m$ .

Esta escala de energía de $\sim100\rm\,neV$ aparece en otro lugar: es un valor típico del Pseudopotencial de Fermi Un modelo que resulta útil cuando la longitud de onda del neutrón es larga en comparación con la distancia entre los núcleos de un material. La coincidencia del momento magnético, la masa gravitatoria y el pseudopotencial permiten atrapar completamente los llamados neutrones "ultrafríos" (UCN), cuya energía cinética es inferior a unos 100 nano-eV. Cuando un neutrón de este tipo se desplaza desde el vacío a algún material, ve un potencial de función escalonada que es mayor que su energía cinética y se refleja, tal y como se estudió en la mecánica cuántica introductoria. Gracias a la interacción gravitatoria, los neutrones ultrafríos sólo rebotan alrededor de un metro en el campo gravitatorio de la Tierra. (Un experimento reciente llamado "Gravitrap" almacenaba en realidad UCNs en un cubo sin tapa, y contaba los neutrones inclinando el cubo para "verterlos" en un detector). Y si se almacenan UCNs en un campo magnético fuerte pero variable, los dos estados de espín se convierten en "buscadores de campo fuerte" y "buscadores de campo débil" y pasan su tiempo en diferentes partes del imán.

Los neutrones ultrafríos son algo mágico, pero el pseudopotencial de Fermi es el principio de funcionamiento de los práctico forma de dirigir/repeler neutrones: los espejos de neutrones. Si tengo un neutrón que está viajando casi paralelos a una superficie muy lisa, puedo pasar a un marco de referencia en el que el movimiento del neutrón es normal a la superficie y preguntar si esa "energía cinética perpendicular" es mayor o menor que el pseudopotencial. Si es menor, es decir, si el ángulo entre el momento del neutrón y la superficie es lo suficientemente bajo, el neutrón sufre una "reflexión externa total" del espejo. Si se ensamblan varios espejos de este tipo en un tubo (normalmente cuatro, de sección rectangular) se tiene una "guía de neutrones", que permite transportar un haz de neutrones a muchos metros de distancia de su fuente sin grandes pérdidas. El estado del arte de las guías de neutrones es una divergencia de aproximadamente medio grado para un haz de neutrones térmicos.

Así que: los neutrones pueden ser repelidos por las paredes, son débilmente atraídos a la Tierra por la gravedad, y son débilmente dirigidos por los gradientes del campo magnético, pero eso es todo.