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Protón: 2 quark arriba, 1 quark abajo, Neutrón: 2 quark abajo, 1 quark arriba, ¿cómo puede Neutrón: protón + electrón?

Imagino que hay una respuesta bastante sencilla a mi pregunta, pero nunca me he aclarado. Si un protón está formado por dos quarks up y un down, y los neutrones por dos down y un up, ¿cómo puede un neutrón ser un protón y un electrón?

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Raffael Puntos 305

Un neutrón no es "un protón y un electrón". Un neutrón no está compuesto por un protón y un electrón dentro del neutrón.

En mecánica cuántica, las partículas pueden aparecer y desaparecer o transformarse en otras partículas. En el caso del neutrón, uno de los quarks down puede decaer y transformarse en un quark up emitiendo un bosón W y convirtiéndose en un protón. El bosón W decae rápidamente en un electrón y un antineutrino de electrón. El nuevo quark up no existía hasta que el quark down se convirtió en él. El bosón W es lo que se llama una partícula virtual. No existe en el sentido clásico, sólo está ahí en la región ambigua del espaciotiempo donde se produce la desintegración. El electrón y el antineutrino no existían hasta la desintegración.

He aquí un diagrama de Feynman del proceso, de aquí :

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¿Por qué dice que el bosón W no existe en el sentido clásico? Tampoco podemos observar los quarks up o down individualmente, y sin embargo dirías que existen literalmente, ¿no? ¿No existen los bosones W en ese mismo sentido, sólo que la desintegración es demasiado rápida para que podamos detectarla?

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El bosón W existe, pero nunca habrá un bosón W que no sea una partícula virtual. Los quarks up y down no son partículas virtuales.

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Entonces no entiendo qué quieres decir con "partícula virtual" y "en sentido clásico". Parece que "partícula virtual" sólo significa que no se puede detectar, no que no exista.

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aceinthehole Puntos 1460

Un neutrón no es un protón y un electrón.

La reacción implicada en la desintegración beta es $$n \to p + e^- + \bar{\nu}_e$$ donde $\bar{\nu}_e$ es un antineutrino del electrón.

Pero ni siquiera eso significa que un neutrón sea un protón más un electrón más un antineutrino. Significa que los números cuánticos de un neutrón son los mismos que los de un estado formado por un protón, un electrón y un antineutrino con la relación de momento angular adecuada. Y que Además, el hecho de que la energía másica de un neutrón supere a la de los productos significa que la desintegración está permitida y es obligatoria.

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Elección de "obligatorio requerido por ley o mandato; obligatorio es intrigante. Decadencia obligatoria. ¿Quizás "inevitable" es menos antropomórfico?

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Creo que la palabra "obligatorio" es un poco engañosa. Hay un tiempo de desintegración característico para ese proceso (unos 15 minutos para un neutrón libre, mucho más si el neutrón está estabilizado por la fuerza fuerte de los hadrones vecinos en un núcleo atómico). En escalas de tiempo mucho mayores que este tiempo de desintegración, la probabilidad de que se produzca la desintegración se acerca arbitrariamente al 100%, pero nunca llega a ser exactamente 100% - siempre hay una pequeña probabilidad de que el neutrón no se desintegre en cualquier periodo de tiempo arbitrariamente largo.

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"Obligatorio" era una referencia a El principio totalitario de Gell Man aunque, como uhoh ha notado, me he acordado mal de la cita.

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Pat Notz Puntos 46841

Las otras respuestas son correctas, pero también me gustaría ofrecer la afirmación contraria: Un neutrón es un protón más un electrón.

Una cosa maravillosa de la física nuclear y de partículas es que se puede hacer "aritmética" con las partículas. En cierto sentido, se puede decir que un protón y un electrón suman un neutrón, $p + e^{-}= n$ . Esto es lo que tienes en la desintegración beta (si te falta algo, ten paciencia conmigo). Pero también se puede "hacer lo mismo en ambos lados" como en matemáticas (transformaciones de equivalencia). Añadamos un positrón:

$$\begin{aligned} n &= p + e^{-} \qquad &\big|_{+e^{+}} \\ \Rightarrow \quad n + e^{+} &= p + e^{-} + e^{+} = p & \end{aligned}$$

Obsérvese que el positrón y el electrón se anulan. La fórmula resultante $p = n + e^{+}$ también puede ocurrir en la naturaleza, y se denomina desintegración beta-plus. Se pueden hacer todo tipo de transformaciones, por ejemplo restar partículas (que es lo mismo que añadir antipartículas). También se puede transformar un electrón en un muón quitando un neutrino electrón y añadiendo un neutrino muón. A mí me gusta pensar en ello como si quitáramos la electronidad y añadiéramos la muonidad:

$$e - \nu_{e} + \nu_{\mu} = \mu$$ o de forma más convencional: $$e + \bar\nu_{e} + \nu_{\mu} = \mu$$

Este cálculo funciona a escala de núcleos, nucleones e incluso quarks. Este es el diagrama de Feynman de la respuesta de Johnathan Gross:

$$\begin{aligned} p &= u+u+d \\ &= u+d+(u+W^{-}) \\ &= u+d+u+(\bar\nu_e+e^-) \\ &= n + \bar\nu_e+e^- \end{aligned}$$

Ahora vemos que la fórmula del principio está incompleta, nos faltaba el neutrino. La razón por la que parecía funcionar sin es que sólo estábamos considerando la carga eléctrica, pero el neutrino no tiene carga eléctrica.

La razón por la que estos simpáticos cálculos funcionan es esencialmente una propiedad llamada simetría de cruce, y el hecho de que los números cuánticos se conservan. Yo lo veo como una versión para principiantes de los diagramas de Feynman (y, de hecho, creo que esto es lo primero que se suele enseñar). Yo lo descubrí en la escuela, en el contexto de la desintegración nuclear, y fue un gran momento "wow" que aumentó mi interés por la física de partículas).

Por supuesto, esta visión simplista tiene algunos inconvenientes. El más importante es que no se tienen en cuenta las masas ni los defectos de las masas. Sólo las partículas más pesadas pueden descomponerse en otras más ligeras, además de la energía. Pero aparte de eso, este "cálculo con partículas" puede ser muy útil, por ejemplo si olvidaste si poner un neutrino o un antineutrino.

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