Proton

Rozpad neutronu

Volný neutron se rozpadá s poločasem rozpadu asi 10,3 minuty, ale je stabilní, pokud se spojí s jádrem. Tento rozpad je příkladem rozpadu beta s emisí elektronu a elektronového antineutrina. Rozpad neutronu zahrnuje slabou interakci, jak je naznačeno ve Feynmanově diagramu vpravo.

Podrobnější diagram rozpadu neutronu jej identifikuje jako přeměnu jednoho z down kvarků neutronu na up kvark. Je to příklad takového druhu kvarkových přeměn, které se účastní mnoha jaderných procesů, včetně rozpadu beta.

Rozpad neutronu je dobrým příkladem pozorování, která vedla k objevu neutrina. Analýzu energetiky tohoto rozpadu lze použít k ilustraci dilemat, kterým čelili první badatelé tohoto procesu.

Pomocí konceptu vazebné energie a reprezentace hmotností částic jejich klidovými hmotnostmi lze z hmotností částic vypočítat energetický výtěžek rozpadu neutronu. Energetický výtěžek se tradičně znázorňuje symbolem Q. Protože se při rozpadu musí zachovat energie a hybnost, ukáže se, že lehčí elektron odnese většinu kinetické energie. Při takto velké kinetické energii je třeba použít relativistický výraz pro kinetickou energii.

Prozatím předpokládáme (nesprávně), že rozpad zahrnuje pouze proton a elektron jako produkty. Energetický výtěžek Q by se pak rozdělil mezi proton a elektron. Elektron získá většinu kinetické energie a bude relativistický, ale proton je nerelativistický. Energetická bilance je pak

V klidovém rámci neutronu, zachování hybnosti vyžaduje

pcelektron = – pcproton

a pcelektron lze vyjádřit ve smyslu kinetické energie elektronu

.

Zobrazit

Energetická bilance pak vypadá následovně

Pokud nahradíme čísla za tuto hodnotu Q, vidíte, že člen KEe2 je zanedbatelný, takže lze vypočítat potřebnou kinetickou energii elektronu. Potřebná kinetická energie elektronu pro toto schéma rozpadu na dvě částice je

Podobně je hybnost elektronu pro tento rozpad na dvě částice omezena na

Moment hybnosti a energie pro rozpad na dvě částice jsou omezeny na tyto hodnoty, ale tak se příroda nechová. Pozorovaná rozdělení hybnosti a energie pro elektron jsou taková, jak je uvedeno níže.

Skutečnost, že elektrony vzniklé rozpadem neutronu měly spojité rozdělení energie a hybnosti, byla jasným důkazem, že spolu s elektronem a protonem byla emitována další částice. Musela to být neutrální částice a při určitých rozpadech nesla téměř veškerou energii a hybnost rozpadu. To by nebylo tak neobvyklé, nebýt toho, že když měl elektron svou maximální kinetickou energii, připadala na něj veškerá energie Q dostupná pro rozpad. Nezbyla tedy žádná energie, která by odpovídala energii hmotnosti jiné emitované částice. První experimentátoři stáli před dilematem částice, která mohla nést téměř veškerou energii a hybnost rozpadu, ale která neměla žádný náboj a zřejmě ani hmotnost!“

Tajemná částice byla nazvána neutrino, ale trvalo dvacet pět let, než Cowan a Reines provedli jednoznačné experimentální pozorování neutrina. Současné chápání rozpadu neutrina je

Tento rozpad ilustruje některé zákony zachování, kterými se řídí rozpady částic. Proton v produktu splňuje zachování baryonového čísla, ale vznik elektronu bez doprovodu by porušil zachování leptonového čísla. Třetí částice musí být elektronové antineutrino, aby rozpad splňoval podmínky zachování leptonového čísla. Elektron má leptonové číslo 1 a antineutrino má leptonové číslo -1.

Experimentální detekce neutrin

Stabilita neutronu v deuteronu

.