Decadimento del neutrone
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Un neutrone libero decade con un’emivita di circa 10,3 minuti ma è stabile se combinato in un nucleo. Questo decadimento è un esempio di decadimento beta con l’emissione di un elettrone e un antineutrino elettronico. Il decadimento del neutrone coinvolge l’interazione debole come indicato nel diagramma di Feynman a destra. |
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Un diagramma più dettagliato del decadimento del neutrone lo identifica come la trasformazione di uno dei quark down del neutrone in un quark up. È un esempio del tipo di trasformazioni di quark che sono coinvolte in molti processi nucleari, incluso il decadimento beta. |
Il decadimento del neutrone è un buon esempio delle osservazioni che hanno portato alla scoperta del neutrino. Un’analisi dell’energetica del decadimento può essere usata per illustrare i dilemmi che hanno affrontato i primi ricercatori di questo processo.
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Utilizzando il concetto di energia di legame e rappresentando le masse delle particelle con le loro energie di massa a riposo, il rendimento energetico del decadimento del neutrone può essere calcolato a partire dalle masse delle particelle. La resa energetica è tradizionalmente rappresentata dal simbolo Q. Poiché l’energia e la quantità di moto devono essere conservate nel decadimento, sarà dimostrato che l’elettrone più leggero porterà via la maggior parte dell’energia cinetica. Con un’energia cinetica di questa grandezza, si deve usare l’espressione dell’energia cinetica relativistica. |
Per il momento presumiamo (erroneamente) che il decadimento coinvolga solo il protone e l’elettrone come prodotti. La resa energetica Q sarebbe quindi divisa tra il protone e l’elettrone. L’elettrone otterrà la maggior parte dell’energia cinetica e sarà relativistico, ma il protone non è relativistico. Il bilancio energetico è quindi
Nel quadro di riposo del neutrone, la conservazione della quantità di moto richiede
e pcelettro può essere espresso in termini di energia cinetica dell’elettrone
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Il bilancio energetico diventa allora
Sostituendo i numeri per questo valore di Q, si vede che il termine KEe2 è trascurabile, quindi l’energia cinetica richiesta dell’elettrone può essere calcolata. L’energia cinetica richiesta all’elettrone per questo schema di decadimento a due particelle è
Parimenti, la quantità di moto dell’elettrone per questo decadimento a due particelle è costretta ad essere
Momento ed energia per il decadimento a due particelle sono costretti a questi valori, ma non è così che la natura si comporta. Le distribuzioni di quantità di moto ed energia osservate per l’elettrone sono come mostrato qui sotto.
Il fatto che gli elettroni prodotti dal decadimento del neutrone avessero distribuzioni continue di energia e quantità di moto era una chiara indicazione che c’era un’altra particella emessa insieme all’elettrone e al protone. Doveva essere una particella neutra e in certi decadimenti portava quasi tutta l’energia e la quantità di moto del decadimento. Questo non sarebbe stato così straordinario se non fosse per il fatto che quando l’elettrone aveva la sua massima energia cinetica, rappresentava tutta l’energia Q disponibile per il decadimento. Quindi non c’era più energia che potesse essere utilizzata per l’energia di massa dell’altra particella emessa. I primi sperimentatori si trovarono di fronte al dilemma di una particella che poteva trasportare quasi tutta l’energia e la quantità di moto del decadimento, ma che non aveva carica e apparentemente non aveva massa!
La misteriosa particella fu chiamata neutrino, ma passarono venticinque anni prima che Cowan e Reines ne facessero un’osservazione sperimentale inequivocabile. La comprensione attuale del decadimento del neutrone è
Questo decadimento illustra alcune delle leggi di conservazione che governano i decadimenti delle particelle. Il protone nel prodotto soddisfa la conservazione del numero di barioni, ma l’emergere dell’elettrone non accompagnato violerebbe la conservazione del numero di leptoni. La terza particella deve essere un antineutrino dell’elettrone per permettere al decadimento di soddisfare la conservazione del numero di leptoni. L’elettrone ha numero di leptoni 1, e l’antineutrino ha numero di leptoni -1.
Rilevazione sperimentale di neutrini
Stabilità del neutrone nel deutone