Proton

Neutronin hajoaminen

Vapaa neutroni hajoaa noin 10,3 minuutin puoliintumisajalla, mutta se on vakaa, jos se yhdistyy ytimeen. Tämä hajoaminen on esimerkki beetahajoamisesta, jossa syntyy elektroni ja elektronin antineutriino. Neutronin hajoamiseen liittyy heikko vuorovaikutus, kuten oikealla olevassa Feynmanin kaaviossa on esitetty.

Perusteellisemmassa kaaviossa neutronin hajoaminen tunnistetaan yhden neutronin down-kvarkin muuttumiseksi up-kvarkiksi. Se on esimerkki sellaisista kvarkkimuunnoksista, joita esiintyy monissa ydinprosesseissa, kuten beetahajoamisessa.

Neutronin hajoaminen on hyvä esimerkki havainnoista, jotka johtivat neutriinon löytämiseen. Hajoamisen energetiikan analyysin avulla voidaan havainnollistaa niitä pulmia, joita tämän prosessin varhaiset tutkijat kohtasivat.

Käyttämällä sidosenergian käsitettä ja esittämällä hiukkasten massat niiden lepomassaenergioilla voidaan hiukkasten massoista laskea neutronin hajoamisen energiantuotto. Energiantuotto esitetään perinteisesti symbolilla Q. Koska energian ja impulssin on säilyttävä hajoamisessa, osoitetaan, että kevyempi elektroni vie suurimman osan liike-energiasta mukanaan. Kun liike-energia on näin suuri, on käytettävä relativistisen liike-energian lauseketta.

Oletetaan toistaiseksi (virheellisesti), että hajoamisessa on tuotteina vain protoni ja elektroni. Energiantuotto Q jakautuisi tällöin protonin ja elektronin kesken. Elektroni saa suurimman osan liike-energiasta ja on relativistinen, mutta protoni on ei-relativistinen. Energiatase on tällöin

Neutronin lepotilassa, impulssin säilyminen edellyttää

pcelektroni = – – pcprotonin

ja pcelektroni voidaan ilmaista elektronin liike-energiana

.

näytetään

Energiatase muuttuu tällöin

Kun korvaat luvut tällä Q:n arvolla, näkee, että KEe2-termi on häviävän pieni, joten elektronin tarvitsema liike-energia voidaan laskea. Tarvittava elektronin kineettinen energia tässä kahden hiukkasen hajoamiskaaviossa on

Niin myös elektronin impulssi tässä kahden hiukkasen hajoamiskaaviossa on pakotettu olemaan

Kahden hiukkasen hajoamiskaaviossa impulssi ja energia on pakotettu näihin arvoihin, mutta luonto ei käyttäydy näin. Elektronin havaitut impulssi- ja energiajakaumat ovat alla olevan kuvan mukaiset.

Se, että neutronin hajoamisessa syntyneillä elektroneilla oli jatkuvat energia- ja impulssijakaumat, oli selvä osoitus siitä, että elektronin ja protonin ohella emittoitui toinen hiukkanen. Sen täytyi olla neutraali hiukkanen ja tietyissä hajoamisissa se kantoi lähes kaiken hajoamisen energian ja impulssin. Tämä ei olisi ollut niin erikoista, ellei olisi huomattu, että kun elektronin liike-energia oli suurimmillaan, se käytti kaiken hajoamiseen käytettävissä olevan energian Q. Jäljelle ei siis jäänyt energiaa toisen emittoituneen hiukkasen massaenergiaa varten. Varhaiset kokeentekijät joutuivat dilemman eteen, kun oli olemassa hiukkanen, joka saattoi kuljettaa lähes kaiken hajoamisen energian ja impulssin, mutta jolla ei ollut varausta eikä ilmeisesti myöskään massaa!

Tämä salaperäinen hiukkanen sai nimekseen neutriino, mutta kesti kaksikymmentäviisi vuotta ennen kuin Cowan ja Reines tekivät yksiselitteisen kokeellisen havainnon neutriinosta. Nykyinen käsitys neutronin hajoamisesta on

Tämä hajoaminen havainnollistaa joitakin hiukkasten hajoamista ohjaavia säilymislakeja. Tuotteessa oleva protoni täyttää baryoniluvun säilymisen, mutta elektronin syntyminen ilman sitä rikkoisi leptoniluvun säilymistä. Kolmannen hiukkasen on oltava elektronin antineutriino, jotta hajoaminen täyttäisi leptoniluvun säilymisen. Elektronilla on leptoniluku 1, ja antineutriinolla on leptoniluku -1.

Neutriinojen kokeellinen havaitseminen

Neutronin stabiliteetti deuteronissa

.