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Desintegración libre de neutrones

Un esquema del núcleo de un átomo que indica
β−
Radiación, 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 fuertemente 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 partículas (normalmente) 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 min y37,75 s o39,6 s , respectivamente). Por lo tanto, la vida media de este proceso (que difiere de la vida media en un factor de ln (2) ≈ 0,693 ) es611 ± 1 s (aproximadamente10 minutos ,11 s ). [3] [4]

La desintegración beta del neutrón descrita en este artículo se puede representar en cuatro niveles de detalle ligeramente diferentes, como se muestra en cuatro capas de diagramas de Feynman en una sección a continuación.


norte0
→pag++ mi−+nomi

Lo difícil de observar
Yo−
 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 ( Yo− ) desapareció tan rápidamente que no se detectó hasta mucho después. Más tarde, se entendió que la desintegración beta se producía por la emisión de un bosón débil ( Yo± ), a veces llamada corriente débil cargada . La desintegración beta implica específicamente la emisión de una Yo− bosón de uno de los quarks down ocultos en el neutrón, convirtiendo así el quark down en un quark up y, en consecuencia, el neutrón en un protón . El siguiente diagrama ofrece un esquema resumido del proceso de desintegración beta según el nivel actual de comprensión.

Diagrama de Feynman para la desintegración beta del neutrón
El quark abajo que se muestra en negrita (d) es nominalmente el que emite el bosón ( Yo− ) y por lo tanto se transforma en un quark up (tú), también en negrita.túdLos pares de quarks que no se muestran en negrita son espectadores inertes de todo el evento.

Para ver 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 debe ser eliminada como energía cinética . La energía máxima del electrón de desintegración beta (en el proceso en el que el neutrino recibe una cantidad de energía cinética extremadamente pequeña) se ha medido en0,782 ± 0,013 MeV . [5] El último número no se mide con la suficiente precisión para determinar la comparativamente pequeña masa en reposo 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 1.000) de neutrones libres se desintegra con los mismos productos, pero añade una partícula extra en forma de rayo gamma emitido :


norte0
→pag++mi−+nomi+
gamma

Este rayo gamma puede considerarse como una especie de " radiación de frenado interna " 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 los neutrones ligados, es decir, los que se encuentran 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 un protón, un electrón y un antineutrino como es habitual, pero el electrón no consigue alcanzar la energía de 13,6 eV necesaria para escapar 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 absorbida 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 del protón .

Proceso de descomposición visto desde múltiples niveles

La comprensión del proceso de desintegración beta se desarrolló a lo largo de varios años, con la comprensión inicial de Enrico Fermi y sus colegas comenzando en el primer nivel "superficial" en el diagrama siguiente. La comprensión actual de los procesos débiles se encuentra en el cuarto nivel, en la parte inferior del diagrama, donde los nucleones (el neutrón y su sucesor, el protón) se ignoran en gran medida, y la atención se centra solo en la interacción entre dos quarks y un bosón cargado, con la desintegración del bosón tratada casi como una ocurrencia posterior. Debido a que el bosón débil cargado (Yo−) desaparece tan rápidamente que no fue observado 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 por sus efectos posteriores.


El rompecabezas de la duración de la vida de los neutrones

Aunque la vida útil del neutrón se ha estudiado durante décadas, actualmente existe una falta de consenso sobre su valor exacto, debido a los diferentes resultados de dos métodos experimentales ("botella" versus "haz" [6] [a] ). La "anomalía de la vida útil del neutrón" se descubrió después del refinamiento de los experimentos con neutrones ultrafríos. [7] Si bien el margen de error alguna vez se superpuso, el aumento del refinamiento en la técnica que debería haber resuelto el problema no ha logrado demostrar la convergencia a un solo valor. [8] [9] [10] [11] La diferencia en los valores de vida útil promedio 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 aún no es lo suficientemente precisa como para respaldar uno sobre el otro. [12] [b] Como explicó 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 prospector lunar de la NASA informó un valor de [14] [16] pero con gran incertidumbre.

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

Véase también

Notas al pie

  1. ^ "Cuando los físicos extraen neutrones de los núcleos atómicos, los ponen en una botella y luego cuentan cuántos permanecen 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 alrededor de 14 m 48 s . La discrepancia entre las mediciones de la "botella" y del "haz" ha persistido [siempre] desde que ambos métodos de medir la longevidad del neutrón comenzaron a dar resultados en la década de 1990. Al principio, todas las mediciones eran tan imprecisas que nadie se preocupó. Sin embargo, gradualmente, ambos métodos han mejorado, y aún difieren". [6]
  2. ^ Los científicos ya han utilizado el nuevo cálculo del acoplamiento axial de nucleones para obtener 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 medición experimental, que difieren en apenas 9 segundos .
    "Tenemos un número para la vida útil del neutrón: 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 a ambos",
    Rinaldi dijo. [12]

Referencias

  1. ^ ab UCNτ Collaboration; Gonzalez, FM; Fries, 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". Physical Review Letters . 127 (16): 162501. arXiv : 2106.10375 . Código Bibliográfico :2021PhRvL.127p2501G. doi :10.1103/PhysRevLett.127.162501. PMID  34723594. S2CID  235490073.
  2. ^ Particle Data Group (2020). Vida media de los neutrones (informe). Review of Particle Physics. Berkeley, CA : Lawrence Berkeley Laboratory .
  3. ^ Beringer, J.; et al. ( Particle Data Group ) (2012). "Resumen de bariones" (PDF) . Phys. Rev. D. 86 : 010001. doi :10.1103/PhysRevD.86.010001. S2CID  118588567.
  4. ^ Particle Data Group (2007). Tabla de datos resumidos sobre bariones (PDF) . lbl.gov (Informe). Lawrence Berkeley Laboratory . Consultado el 16 de agosto de 2012 .
  5. ^ Heyde, K. (2004). "Decaimiento beta: la interacción débil en acción". Ideas y conceptos básicos de física nuclear: un enfoque introductorio (tercera edición). Taylor & Francis. doi :10.1201/9781420054941. ISBN 978-0-7503-0980-6Archivado desde el original el 19 de enero de 2013 – vía archive.today; el enlace lleva al texto archivado del capítulo 5.
  6. ^ abc Wolchover, Natalie (13 de febrero de 2018). "El enigma de la duración de los neutrones se profundiza, pero no se observa materia oscura". Quanta Magazine . Consultado el 31 de julio de 2018 .
  7. ^ Serebrov, AP; Fomin, AK (2011). "Nueva evaluación de la vida útil de los neutrones a partir de experimentos de almacenamiento de UCN y experimentos de haz". Physics Procedia . 17 : 199–205. arXiv : 1104.4238 . Código Bibliográfico :2011PhPro..17..199S. doi :10.1016/j.phpro.2011.06.037. S2CID  119204009.
  8. ^ Paul, 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 . Bibcode :2009NIMPA.611..157P. doi :10.1016/j.nima.2009.07.095. ISSN  0168-9002. S2CID  9765336.
  9. ^ ab Moskowitz, Clara (2014). "El misterio de la muerte de los neutrones ha desconcertado a los físicos". Nature . doi :10.1038/nature.2014.15219. ISSN  1476-4687. S2CID  123870434.
  10. ^ Greene, Geoffrey L.; Geltenbort, Peter (2016). "El enigma de los neutrones". Scientific American . 314 (4): 36–41. Código Bibliográfico :2016SciAm.314d..36G. doi :10.1038/scientificamerican0416-36. ISSN  0036-8733. OSTI  1481712. PMID  27082189.
  11. ^ Mumm, Pieter (2018). "Resolviendo el rompecabezas de la vida útil de los neutrones". Science . 360 (6389): 605–606. Bibcode :2018Sci...360..605M. doi :10.1126/science.aat7140. ISSN  0036-8075. PMID  29748273. S2CID  206667316.
  12. ^ ab "Los científicos nucleares calculan el valor de una propiedad clave que impulsa la desintegración de neutrones". Brookhaven National Laboratory (Nota de prensa). 30 de mayo de 2018. Consultado el 31 de julio de 2018 .
  13. ^ "¿Cuánto tiempo vive un neutrón?". Instituto Tecnológico de California . 13 de octubre de 2021. Consultado el 14 de octubre de 2021 .
  14. ^ ab Wilson, Jack T.; Lawrence, David J.; Peplowski, Patrick N.; Eke, Vincent R.; Kegerreis, Jacob A. (13 de octubre de 2021). "Medición del tiempo de vida del neutrón libre utilizando el espectrómetro de neutrones en la misión Lunar Prospector de la NASA". Physical Review C . 104 (4): 045501. arXiv : 2011.07061 . Código Bibliográfico :2021PhRvC.104d5501W. doi :10.1103/PhysRevC.104.045501. S2CID  226955795.
  15. ^ Anónimo (27 de noviembre de 2013). "Discrepancia en la vida útil de los neutrones aún sin resolver". Física . 6 . Código Bibliográfico :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 Bibliográfico :2021NIMPA.98864919L. doi :10.1016/j.nima.2020.164919. S2CID  226307043.
  17. ^ Hirota, K; Ichikawa, G; Ieki, S; Ino, T; 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". Progreso de la física teórica y experimental . 2020 (12): 123C02. arXiv : 2007.11293 . doi :10.1093/ptep/ptaa169. ISSN  2050-3911.
  18. ^ "KEK aborda el enigma de la vida útil de los neutrones". CERN Courier . 2 de julio de 2021 . Consultado el 2 de diciembre de 2021 .

Bibliografía