Proton

Verval van het neutron

Een vrij neutron vervalt met een halveringstijd van ongeveer 10,3 minuten, maar het is stabiel als het in een kern wordt samengevoegd. Dit verval is een voorbeeld van bètaverval met de emissie van een elektron en een elektron-antineutrino. Bij het verval van het neutron is de zwakke wisselwerking betrokken, zoals aangegeven in het diagram van Feynman hiernaast.

In een gedetailleerder diagram van het verval van het neutron wordt dit geïdentificeerd als de omzetting van een van de neerwaartse quarks van het neutron in een opwaarts quark. Het is een voorbeeld van het soort quarktransformaties dat betrokken is bij veel nucleaire processen, waaronder bètaverval.

Het verval van het neutron is een goed voorbeeld van de waarnemingen die hebben geleid tot de ontdekking van het neutrino. Een analyse van de energetica van het verval kan worden gebruikt om de dilemma’s te illustreren waarmee de eerste onderzoekers van dit proces werden geconfronteerd.

Door gebruik te maken van het concept van bindingsenergie, en de massa’s van de deeltjes voor te stellen aan de hand van hun rustmassa-energie, kan de energieopbrengst van neutronenverval worden berekend uit de massa’s van de deeltjes. De energieopbrengst wordt traditioneel weergegeven door het symbool Q. Omdat energie en momentum bij het verval behouden moeten blijven, zal worden aangetoond dat het lichtere elektron het grootste deel van de kinetische energie zal wegdragen. Met een kinetische energie van deze orde van grootte moet de relativistische kinetische energieuitdrukking worden gebruikt.

Voorlopig gaan we er (ten onrechte) van uit dat bij het verval alleen het proton en het elektron als producten betrokken zijn. De energieopbrengst Q zou dan worden verdeeld over het proton en het elektron. Het elektron krijgt het grootste deel van de kinetische energie en is relativistisch, maar het proton is niet-relativistisch. De energiebalans is dan

In het rustframe van het neutron, vereist behoud van momentum

pcelectron = – pcproton

en pcelectron kan worden uitgedrukt in termen van de kinetische energie van het elektron

Toon

De energiebalans wordt dan

Wanneer je de getallen substitueert voor deze waarde van Q, zie je dat de term KEe2 te verwaarlozen is, zodat de vereiste kinetische energie van het elektron kan worden berekend. De vereiste kinetische energie van het elektron voor dit tweedeeltjesverval is

Ook het momentum van het elektron voor dit tweedeeltjesverval is beperkt tot

Momentum en energie voor het tweedeeltjesverval zijn beperkt tot deze waarden, maar dit is niet hoe de natuur zich gedraagt. De waargenomen impuls- en energieverdelingen voor het elektron zijn zoals hieronder aangegeven.

Het feit dat de uit het neutronenverval voortkomende elektronen continue verdelingen van energie en momentum hadden, was een duidelijke aanwijzing dat er samen met het elektron en proton nog een ander deeltje werd uitgezonden. Het moest een neutraal deeltje zijn en in bepaalde vervalgevallen droeg het bijna alle energie en momentum van het verval. Dit zou niet zo buitengewoon zijn geweest, ware het niet dat wanneer het elektron zijn maximale kinetische energie had, het goed was voor alle energie Q beschikbaar voor het verval. Er was dus geen energie over om de massa-energie van het andere uitgezonden deeltje te verantwoorden. De eerste experimentatoren stonden voor het dilemma van een deeltje dat bijna alle energie en momentum van het verval kon dragen, maar dat geen lading en blijkbaar geen massa had!

Het mysterieuze deeltje werd een neutrino genoemd, maar het duurde vijfentwintig jaar voordat ondubbelzinnige experimentele waarnemingen van het neutrino werden gedaan door Cowan en Reines. Het huidige begrip van het verval van het neutron is

Dit verval illustreert enkele van de behoudswetten die gelden voor het verval van deeltjes. Het proton in het product voldoet aan het behoud van het baryonnummer, maar de opkomst van het elektron zonder begeleiding zou het behoud van het leptonnummer schenden. Het derde deeltje moet een elektron-antineutrino zijn om het verval te laten voldoen aan het behoud van het leptongetal. Het elektron heeft leptongetal 1, en het antineutrino heeft leptongetal -1.

Experimentele detectie van neutrino’s

Stabiliteit van het neutron in het deuteron