Decaimiento de neutrones libres

Decaimiento de un neutrón cuando está fuera de un núcleo

Un esquema del núcleo de un átomo que indica
b⁻
radiación, la emisión de un electrón rápido desde el núcleo (se omite el antineutrino que lo acompaña). En el modelo de Rutherford para el núcleo, las esferas rojas eran protones con carga positiva y las esferas azules eran protones estrechamente unidos a un electrón sin carga neta . : El recuadro muestra la desintegración beta de un neutrón libre tal como se entiende hoy en día; En este proceso se crean un electrón y un antineutrino.

Cuando están incrustados en un núcleo atómico , los neutrones son (normalmente) partículas estables. Fuera del núcleo, los neutrones libres son inestables y tienen una vida media de877,75+0,50
−0,44 s ^[1] o879,6 ± 0,8 s ^[2] (aproximadamente14 minutos y37,75 so39,6 s , respectivamente). Por lo tanto, la vida media de este proceso (que difiere de la vida media por un factor de ln (2) ≈ 0,693 ) es611 ± 1 s (aproximadamente10 minutos ,11s ). ^{[3] [4]}

La desintegración beta del neutrón descrita en este artículo se puede anotar en cuatro niveles de detalle ligeramente diferentes, como se muestra en cuatro capas de diagramas de Feynman en la sección siguiente.

norte⁰
→pag++ mi−+vmi

Lo dificil de observar
W.⁻
se desintegra rápidamente en un electrón y su antineutrino correspondiente . La reacción subatómica que se muestra inmediatamente arriba representa el proceso tal como se entendió por primera vez, en la primera mitad del siglo XX. El bosón ( W.− ) desapareció tan rápidamente que no fue detectado hasta mucho más tarde. Posteriormente se entendió que la desintegración beta se producía por la emisión de un bosón débil ( W.± ), a veces llamada corriente débil cargada . La desintegración beta implica específicamente la emisión de un W.− bosón de uno de los quarks down escondidos dentro del neutrón, convirtiendo así el quark down en un quark up y, en consecuencia, el neutrón en un protón . El siguiente diagrama ofrece un esbozo resumido del proceso de desintegración beta según el nivel actual de comprensión.

Diagrama de Feynman para la desintegración beta del neutrón

El quark down se muestra en negrita (d) es nominalmente el que emite el bosón ( W.− ) y convirtiéndose así en un quark up (tu), también en negrita. EltudLos pares de quarks que no se muestran en negrita son espectadores inertes de todo el evento.

Para diagramas con varios niveles de detalle, consulte § Proceso de descomposición, a continuación.

Presupuesto energético

Para el neutrón libre, la energía de desintegración para este proceso (basada en las masas en reposo del neutrón, el protón y el electrón) es0,782 343  MeV . Esa es la diferencia entre la masa en reposo del neutrón y la suma de las masas en reposo de los productos. Esa diferencia tiene que ser transportada como energía cinética . La energía máxima del electrón en desintegración beta (en el proceso en el que el neutrino recibe una cantidad extremadamente pequeña de energía cinética) se ha medido en0,782 ± 0,013 MeV . ^[5] Este último número no se mide lo suficientemente bien como para determinar la masa en reposo comparativamente pequeña del neutrino (que en teoría debe restarse de la energía cinética máxima del electrón); además, la masa del neutrino está limitada por muchos otros métodos.

Una pequeña fracción (aproximadamente 1 en 1000) de neutrones libres se desintegra con los mismos productos, pero agrega una partícula adicional en forma de rayo gamma emitido :

norte⁰
→pag++mi−+vmi+γ

Este rayo gamma puede considerarse como una especie de " bremsstrahlung interno " que surge cuando la partícula beta emitida (electrón) interactúa con la carga del protón de forma electromagnética. En este proceso, parte de la energía de desintegración se elimina en forma de energía fotónica . Los rayos gamma producidos de esta manera también son una característica menor de las desintegraciones beta de neutrones unidos, es decir, aquellos dentro de un núcleo.

Una minoría muy pequeña de desintegraciones de neutrones (aproximadamente cuatro por millón) son las llamadas "desintegraciones de dos cuerpos (neutrones)", en las que se producen como de costumbre un protón, un electrón y un antineutrino, pero el electrón no logra ganar los 13,6 eV necesarios. la energía escapa del protón (la energía de ionización del hidrógeno ), y por tanto simplemente permanece ligado a él, como un átomo de hidrógeno neutro (uno de los "dos cuerpos"). En este tipo de desintegración de neutrones libres, en esencia toda la energía de desintegración de neutrones es transportada por el antineutrino (el otro "cuerpo").

La transformación de un protón libre en un neutrón (más un positrón y un neutrino) es energéticamente imposible, ya que un neutrón libre tiene una masa mayor que un protón libre. Sin embargo, véase desintegración de protones .

Proceso de descomposición visto desde múltiples niveles.

La comprensión del proceso de desintegración beta se desarrolló a lo largo de varios años, y la comprensión inicial de Enrico Fermi y sus colegas comenzó en el primer nivel "superficial" del diagrama siguiente. La comprensión actual de los procesos débiles se sitúa en el cuarto nivel, en la parte inferior del gráfico, donde los nucleones (el neutrón y su protón sucesor) se ignoran en gran medida y la atención se centra sólo en la interacción entre dos quarks y un bosón cargado, con el La desintegración del bosón casi se trata como una ocurrencia tardía. Porque el bosón débil cargado (W.−) desaparece tan rápidamente que en realidad no se observó durante la primera mitad del siglo XX, por lo que el diagrama del nivel 1 lo omite; incluso en la actualidad se infiere en su mayor parte de sus efectos posteriores.

Rompecabezas de la vida de los neutrones

Si bien la vida útil de los neutrones se ha estudiado durante décadas, actualmente existe una falta de certeza sobre su valor exacto, debido a los diferentes resultados de dos métodos experimentales ("botella" versus "haz" ^{[6] [a]} ). La "anomalía de la vida útil de los neutrones" se descubrió tras perfeccionar los experimentos con neutrones ultrafríos. ^[7] Si bien el margen de error alguna vez se superpuso, el creciente refinamiento de la técnica que debería haber resuelto el problema no ha logrado demostrar convergencia hacia un solo valor. ^{[8] [9] [10] [11]} La diferencia en los valores medios de vida obtenidos a partir de 2014 fue de aproximadamente 9 segundos. ^[9] Además, una predicción del valor basada en la cromodinámica cuántica a partir de 2018 todavía no es lo suficientemente precisa para respaldar uno sobre el otro. ^{[12] [b]} Como explica Wolchover (2018), ^[6] la prueba del haz sería incorrecta si hay un modo de desintegración que no produce un protón.

El 13 de octubre de 2021, la vida útil del método de la botella se actualizó a ^{[13] [1]} aumentando la diferencia a 10 segundos por debajo del valor del método del haz de ^{[14] [15]} y también en la misma fecha un tercer método novedoso que utiliza datos de La pasada misión de exploración lunar de la NASA informó un valor de ^{[14] [16]} pero con gran incertidumbre. ${\displaystyle \tau _{n}=877.75s}$ ${\displaystyle \tau _{n}=887.7s}$ ${\displaystyle \tau _{n}=887s}$

Se ha explorado otro enfoque similar al método del haz con el Complejo de Investigación del Acelerador de Protones de Japón (J-PARC), pero por el momento es demasiado impreciso para ser significativo en el análisis de la discrepancia. ^{[17] [18]}

Ver también

• Matriz de Halbach : utilizada en el método de la "botella"

Notas a pie de página

1. Cuando los físicos extraen neutrones de los núcleos atómicos, los ponen en una botella y luego cuentan cuántos quedan allí después de un tiempo, infieren que los neutrones se desintegran radiactivamente en 14 ^m 39 ^s , en promedio. Pero cuando otros físicos generan haces de neutrones y cuentan los protones emergentes (las partículas en las que se desintegran los neutrones libres), fijan la vida media de los neutrones en unos 14 ^m 48 ^s . La discrepancia entre las mediciones de la "botella" y del "haz" ha persistido desde que ambos métodos de medir la longevidad del neutrón comenzaron a dar resultados en la década de 1990. Al principio todas las medidas eran tan imprecisas que nadie se preocupó. Sin embargo, gradualmente ambos métodos han mejorado y aún no están de acuerdo. — Wolchover (2018) ^[6]
2. Los científicos ya han utilizado el nuevo cálculo del acoplamiento axial de nucleones para derivar una predicción puramente teórica de la vida útil del neutrón. En este momento, este nuevo valor es consistente con los resultados de ambos tipos de mediciones experimentales, que difieren en apenas 9 ^segundos .

   "Tenemos un número para la vida útil de los neutrones: 14 ^m 40 ^s , con una barra de error de 14 ^s . Eso está justo en el medio de los valores medidos por los dos tipos de experimentos, con una barra de error que es grande y se superpone ambos,"

   Dijo Rinaldi. ^[12]

Referencias

1. Colaboración UCNτ; González, FM; Papas fritas, EM; Cude-Woods, C.; Bailey, T.; Blatnik, M.; Broussard, LJ; Callahan, NB; Choi, JH; Clayton, SM; Currie, SA (13 de octubre de 2021). "Medición mejorada de la vida útil de los neutrones con UCNτ". Cartas de revisión física . 127 (16): 162501. arXiv : 2106.10375 . doi :10.1103/PhysRevLett.127.162501. PMID  34723594. S2CID  235490073.
2. Grupo de datos de partículas (2020). Neutrón significa vida (Informe). Repaso de Física de Partículas. Berkeley, CA : Laboratorio Lawrence Berkeley .
3. Beringer, J.; et al. ( Grupo de datos de partículas ) (2012). "Resumen de bariones" (PDF) . Física. Rev. D. 86 : 010001. doi : 10.1103/PhysRevD.86.010001. S2CID  118588567.
4. Grupo de datos de partículas (2007). Tabla de datos resumidos sobre bariones (PDF) . lbl.gov (Reporte). Laboratorio Lawrence Berkeley . Consultado el 16 de agosto de 2012 .
5. Heyde, K. (2004). "Decaimiento beta: la interacción débil en funcionamiento". Ideas y conceptos básicos de física nuclear: un enfoque introductorio (tercera ed.). Taylor y Francisco. doi :10.1201/9781420054941. ISBN 978-0-7503-0980-6. Archivado desde el original el 19 de enero de 2013, a través de archive.today; el enlace es al cap. archivado. 5 texto.
6. Wolchover, Natalie (13 de febrero de 2018). "El enigma de la vida de los neutrones se profundiza, pero no se ve materia oscura". Revista Quanta . Consultado el 31 de julio de 2018 .
7. Serebrov, AP; Fomin, Alaska (2011). "Nueva evaluación de la vida útil de los neutrones a partir de experimentos de almacenamiento y experimentos de haces de la UCN". Procedimientos de Física . 17 : 199–205. arXiv : 1104.4238 . Código Bib : 2011PhPro..17..199S. doi :10.1016/j.phpro.2011.06.037. S2CID  119204009.
8. Pablo, Stephan (2009). "El rompecabezas de la vida útil de los neutrones". Instrumentos y métodos nucleares en la investigación en física Sección A: aceleradores, espectrómetros, detectores y equipos asociados . 611 (2–3): 157–166. arXiv : 0902.0169 . Código Bib : 2009NIMPA.611..157P. doi :10.1016/j.nima.2009.07.095. ISSN  0168-9002. S2CID  9765336.
9. Moskowitz, Clara (2014). "El misterio de la muerte de los neutrones tiene bloqueados a los físicos". Naturaleza . doi :10.1038/naturaleza.2014.15219. ISSN  1476-4687. S2CID  123870434.
10. Greene, Geoffrey L.; Geltenbort, Peter (2016). "El enigma de los neutrones". Científico americano . 314 (4): 36–41. Código Bib : 2016SciAm.314d..36G. doi : 10.1038/scientificamerican0416-36. ISSN  0036-8733. OSTI  1481712. PMID  27082189.
11. Mamá, Pieter (2018). "Resolviendo el rompecabezas de la vida útil de los neutrones". Ciencia . 360 (6389): 605–606. Código Bib : 2018 Ciencia... 360..605M. doi : 10.1126/ciencia.aat7140. ISSN  0036-8075. PMID  29748273. S2CID  206667316.
12. "Los científicos nucleares calculan el valor de la propiedad clave que impulsa la desintegración de los neutrones". Laboratorio Nacional Brookhaven (Presione soltar). 30 de mayo de 2018 . Consultado el 31 de julio de 2018 .
13. "¿Cuánto tiempo vive un neutrón?". Instituto de Tecnología de California . 13 de octubre de 2021 . Consultado el 14 de octubre de 2021 .
14. Wilson, Jack T.; Lawrence, David J.; Peplowski, Patrick N.; Eke, Vicente R.; Kegerreis, Jacob A. (13 de octubre de 2021). "Medición de la vida útil de los neutrones libres utilizando el espectrómetro de neutrones de la misión Lunar Prospector de la NASA". Revisión Física C. 104 (4): 045501. arXiv : 2011.07061 . Código Bib : 2021PhRvC.104d5501W. doi : 10.1103/PhysRevC.104.045501. S2CID  226955795.
15. Anónimo (27 de noviembre de 2013). "La discrepancia en la vida útil de los neutrones aún no se resuelve". Física . 6 . Bibcode : 2013PhyOJ...6S.150.. doi : 10.1103/Physics.6.s150.
16. Lawrence, David J.; Wilson, Jack T.; Peplowski, Patrick N. (1 de febrero de 2021). "Medidas espaciales de la vida útil de los neutrones: enfoques para resolver la anomalía de la vida útil de los neutrones". Instrumentos y métodos nucleares en la investigación en física Sección A: aceleradores, espectrómetros, detectores y equipos asociados . 988 : 164919. arXiv : 2011.06095 . Código Bib : 2021NIMPA.98864919L. doi : 10.1016/j.nima.2020.164919. S2CID  226307043.
17. Hirota, K; Ichikawa, G; Ieki, S; Yo no; Iwashita, Y; Kitaguchi, M; Kitahara, R; Koga, J; Mishima, K; Mogi, T; Morikawa, K (15 de diciembre de 2020). "Medición de la vida útil de los neutrones con neutrones fríos pulsados". Progresos de la Física Teórica y Experimental . 2020 (12): 123C02. arXiv : 2007.11293 . doi : 10.1093/ptep/ptaa169. ISSN  2050-3911.
18. "KEK aborda el rompecabezas de la vida útil de los neutrones". Correo del CERN . 2 de julio de 2021 . Consultado el 2 de diciembre de 2021 .

Bibliografía

• Ерозолимский, Б.Г. (1975). "Desintegración beta del neutrón" Бета-распад нейтрона [Desintegración beta del neutrón]. Успехи Физических Наук Успехи физических наук. 116 (1): 145-164. doi :10.3367/UFNr.0116.197505e.0145.