Protón

Decadencia del neutrón

Un neutrón libre decae con una vida media de unos 10,3 minutos pero es estable si se combina en un núcleo. Esta desintegración es un ejemplo de desintegración beta con la emisión de un electrón y un antineutrino electrónico. En la desintegración del neutrón interviene la interacción débil como se indica en el diagrama de Feynman de la derecha.

Un diagrama más detallado de la desintegración del neutrón la 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 intervienen en muchos procesos nucleares, incluida la desintegración beta.

La desintegración del neutrón es un buen ejemplo de las observaciones que llevaron al descubrimiento del neutrino. Un análisis de la energía de la desintegración puede servir para ilustrar los dilemas a los que se enfrentaron los primeros investigadores de este proceso.

Usando el concepto de energía de enlace, y representando las masas de las partículas por sus energías de masa en reposo, el rendimiento energético de la desintegración del neutrino puede calcularse a partir de las masas de las partículas. El rendimiento energético se representa tradicionalmente con el símbolo Q. Como la energía y el momento deben conservarse en la desintegración, se demostrará que el electrón más ligero se llevará la mayor parte de la energía cinética. Con una energía cinética de esta magnitud, se debe utilizar la expresión de energía cinética relativista.

Por el momento suponemos (incorrectamente) que la desintegración implica sólo el protón y el electrón como productos. El rendimiento energético Q se dividiría entonces 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 energético es entonces

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

pcelectrón = – pcprotón

y pcelectrón puede expresarse en términos de la energía cinética del electrón

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El balance energético se convierte entonces en

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 desintegración de dos partículas es

Así mismo, el momento del electrón para esta desintegración de dos partículas está restringido a ser

El momento y la energía para la desintegración de dos partículas están restringidos a estos valores, pero esta no es la forma en que se comporta la naturaleza. Las distribuciones de momento y energía observadas para el electrón son las que se muestran a continuación.

El hecho de que los electrones producidos a partir de la desintegración del neutrón tuvieran distribuciones continuas de energía y momento era una clara indicación de que había otra partícula emitida junto con el electrón y el protón. Tenía que ser una partícula neutra y en ciertas desintegraciones llevaba casi toda la energía y el momento de la desintegración. Esto no habría sido tan extraordinario si no fuera porque cuando el electrón tenía su máxima energía cinética, representaba toda la energía Q disponible para la desintegración. Por lo tanto, no quedaba energía para explicar la energía de la masa de la otra partícula emitida. Los primeros experimentadores se enfrentaron al dilema de una partícula que podía transportar casi toda la energía y el momento de la desintegración, pero que no tenía carga y aparentemente no tenía masa.

La misteriosa partícula se llamó neutrino, pero pasaron veinticinco años antes de que Cowan y Reines hicieran una observación experimental inequívoca del neutrino. La comprensión actual de la desintegración del neutrón es

Esta desintegración ilustra algunas de las leyes de conservación que rigen las desintegraciones de partículas. El protón en el producto satisface la conservación del número de bariones, pero la aparición del electrón sin acompañamiento violaría la conservación del número de leptones. La tercera partícula debe ser un antineutrino del electrón para que la desintegración satisfaga la conservación del número de leptones. El electrón tiene número leptónico 1, y el antineutrino tiene número leptónico -1.

Detección experimental de neutrinos

Estabilidad del neutrón en el deuterón