Proton

Décroissance du neutron

Un neutron libre se désintègre avec une demi-vie d’environ 10,3 minutes mais il est stable s’il est combiné dans un noyau. Cette désintégration est un exemple de désintégration bêta avec l’émission d’un électron et d’un antineutrino électronique. La désintégration du neutron implique l’interaction faible comme l’indique le diagramme de Feynman à droite.

Un diagramme plus détaillé de la désintégration du neutron l’identifie comme la transformation d’un des quarks down du neutron en un quark up. C’est un exemple du type de transformations de quark qui sont impliquées dans de nombreux processus nucléaires, y compris la désintégration bêta.

La désintégration du neutron est un bon exemple des observations qui ont conduit à la découverte du neutrino. Une analyse de l’énergétique de la désintégration peut être utilisée pour illustrer les dilemmes auxquels étaient confrontés les premiers investigateurs de ce processus.

En utilisant le concept d’énergie de liaison, et en représentant les masses des particules par leurs énergies de masse au repos, le rendement énergétique de la désintégration des neutrons peut être calculé à partir des masses des particules. Le rendement énergétique est traditionnellement représenté par le symbole Q. L’énergie et la quantité de mouvement devant être conservées lors de la désintégration, il sera démontré que l’électron le plus léger emportera la majeure partie de l’énergie cinétique. Avec une énergie cinétique de cette ampleur, l’expression de l’énergie cinétique relativiste doit être utilisée.

Pour le moment, nous supposons (à tort) que la désintégration n’implique que le proton et l’électron comme produits. Le rendement énergétique Q serait alors divisé entre le proton et l’électron. L’électron recevra la plus grande partie de l’énergie cinétique et sera relativiste, mais le proton n’est pas relativiste. Le bilan énergétique est alors

Dans le cadre de repos du neutron, la conservation de la quantité de mouvement requiert

pcelectron = – pcproton

et pcelectron peut être exprimé en termes d’énergie cinétique de l’électron

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Le bilan énergétique devient alors

En substituant les chiffres pour cette valeur de Q, vous voyez que le terme KEe2 est négligeable, donc l’énergie cinétique requise de l’électron peut être calculée. L’énergie cinétique requise de l’électron pour ce schéma de désintégration à deux particules est

De même, le momentum de l’électron pour cette désintégration à deux particules est contraint à être

Le momentum et l’énergie pour la désintégration à deux particules sont contraints à ces valeurs, mais ce n’est pas la façon dont la nature se comporte. Les distributions de momentum et d’énergie observées pour l’électron sont celles indiquées ci-dessous.

Le fait que les électrons produits par la désintégration du neutron avaient des distributions continues d’énergie et de momentum était une indication claire qu’il y avait une autre particule émise avec l’électron et le proton. Il devait s’agir d’une particule neutre qui, dans certaines désintégrations, transportait presque toute l’énergie et le momentum de la désintégration. Cela n’aurait pas été si extraordinaire si ce n’est que, lorsque l’électron avait son énergie cinétique maximale, il représentait toute l’énergie Q disponible pour la désintégration. Il ne restait donc aucune énergie pour rendre compte de l’énergie massique de l’autre particule émise. Les premiers expérimentateurs étaient confrontés au dilemme d’une particule qui pouvait transporter presque toute l’énergie et l’élan de la désintégration mais qui n’avait pas de charge et apparemment pas de masse !

La mystérieuse particule a été appelée neutrino, mais il a fallu attendre vingt-cinq ans avant que l’observation expérimentale non ambiguë du neutrino soit faite par Cowan et Reines. La compréhension actuelle de la désintégration du neutron est

Cette désintégration illustre certaines des lois de conservation qui régissent les désintégrations de particules. Le proton dans le produit satisfait à la conservation du nombre de baryons, mais l’émergence de l’électron non accompagné violerait la conservation du nombre de leptons. La troisième particule doit être un antineutrino d’électron pour que la désintégration satisfasse la conservation du nombre de leptons. L’électron a le nombre de leptons 1, et l’antineutrino a le nombre de leptons -1.

Détection expérimentale des neutrinos

Stabilité du neutron dans le deutéron

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