¿Por qué los neutrones son un poco más pesados ​​que los protones?

La mayoría de la diferencia de masa de ~ 1.3 MeV se debe a las interacciones de quark. Otro efecto se debe a las diferentes interacciones electrostáticas entre los diferentes triples de quarks.

La respuesta se ha respondido principalmente en una combinación de las respuestas dadas aquí. Esta respuesta está destinada a fusionarlos y aclarar algunas cosas. Primero, ¿por qué alguien se preguntaría si sus masas pueden ser o no iguales?

• Los neutrones libres son inestables (~ 15 minutos)
  [matemáticas] n ^ 0 \ a p ^ + + e ^ – + \ overline {\ nu_e} [/ matemáticas]
• Los protones son estables (requieren energía de entrada para descomponerse)
  [matemáticas] \ gamma + p ^ + \ a n ^ 0 + e ^ + + \ nu_e [/ matemáticas]
  [matemáticas] p ^ + + p ^ + \ a p ^ + + n ^ 0 + e ^ + + \ nu_e [/ matemáticas]

con ejemplo decae. El observador casual podría notar que los productos de desintegración son muy similares, lo que lleva a una afirmación de que para que el par de partículas-antipartículas electrón-neutrino sea equivalente en masa, el neutrón y el protón también deben ser equivalentes en masa. Esto es falso, porque la energía de entrada en el lado izquierdo obliga a los lados derechos de ambas ecuaciones a ser diferentes.

Ahora, desde el punto de vista de QFT, un protón y un neutrón realmente no podrían tener la misma masa, particularmente porque tendríamos problemas para cancelar las simetrías con la falta de carga en un neutrón. Por lo tanto, QFT no restringe la masa del neutrón.

Los protones (arriba-abajo-abajo) tienen una masa de 938.3 MeV.
Los neutrones (arriba-abajo-abajo) tienen una masa de 939,6 MeV.

Una masa de quark down es mayor que una masa de quark up en aproximadamente 3 MeV. Esta diferencia de masa representa el mayor cambio (interacciones de gluones). Luego, si incluye la diferencia en la interacción electrostática entre (+2/3, +2/3, -1/3) y (+2/3, -1/3, -1/3), esto causa otro cambio en la masa de protones debido a las correcciones cuánticas de fotones virtuales (el protón está cargado).

En general, una combinación de interacciones quark + interacciones electromagnéticas explica en gran medida el cambio.

Esencialmente, hay una diferencia en las fuerzas electrostáticas que dependen de la estructura subatómica anterior, pero hay una explicación más profunda de esto (en términos básicos, obviamente, esta es una parte bastante extensa de la física de partículas):

Según las conclusiones en desarrollo de la hipótesis de Quark, tanto los neutrones como los protones contienen ‘sabores’ de quarks que constituyen una mínima diferencia de materia en una escala interna nanométrica.
El protón y el neutrón están formados por tres quarks. El protón está compuesto principalmente por dos quarks ‘arriba’ y un quark ‘abajo’. Mientras que el neutrón contiene (principalmente) dos quarks ‘abajo’ y un quark ‘arriba’. Estas diferencias son menores pero contribuyen a un cambio mucho mayor en la teoría de partículas con respecto a las masas de constituyentes superiores.

Si tomamos esto más abajo, el quark down tiene más masa porque interactúa más fuertemente con el bosón de Higgs que el quark up. Realmente no entendemos por qué el quark down interactúa con el bosón de Higgs más que el quark up, es un parámetro fundamental de la naturaleza hasta donde sabemos en este momento.
El hecho de que la masa del quark down apenas supere la diferencia electromagnética de energía propia es fundamental para obtener la física tal como la conocemos. Si el quark down era más ligero que el up quark, entonces el protón podría descomponerse en un neutrón (más un positrón y un neutrino) o posiblemente tanto el protón como el neutrón podrían ser estables.

Alternativamente, si el quark down fuera mucho más pesado, el neutrón se descompondría muy rápidamente.

Los protones y los neutrones están compuestos por tres quarks de valencia y luego una gran cantidad de quarks y gluones marinos. Los quarks y gluones marinos se comportan de la misma manera tanto para el protón como para el neutrón, por lo tanto, cualquier diferencia entre el protón y el neutrón surge de los quarks de valencia.

La diferencia más obvia entre el protón y el neutrón es que el protón tiene una carga neta mientras que el neutrón es neutral. Esto significa que la autoenergía electromagnética del protón es mayor que la de los neutrones, es decir, la energía electromagnética va en la dirección incorrecta. Los Quarks tienen cargas de +2/3 y -1/3 en unidades donde el electrón tiene una carga de -1. El protón tiene dos quarks +2/3 y un quark -1/3, mientras que el neutrón tiene dos quarks -1/3 y un quark +2/3. El protón tiene una autoenergía electromagnética más grande porque se necesita más energía para acercar las partículas con carga similar, ya que quieren repelerse entre sí. Simplemente pon los dos quarks +2/3 que quieren separarse unos de otros y se requiere energía para superar eso. El neutrón está equilibrado electromagnéticamente, por lo que hay una energía de unión electromagnética (es decir, una energía que reduciría la energía total y, por lo tanto, la masa del sistema).

La diferencia restante se debe a los quarks de valencia específicos:

• Proton tiene 2 Quarks arriba y un Quark abajo
• Neutron tiene 2 Quarks abajo y un Quark arriba

La única diferencia entre estos quarks además de las cargas electromagnéticas (que ya hemos argumentado va en la dirección incorrecta) es la diferencia en las masas de los quarks arriba y abajo. La “masa” para los quarks ligeros como estos está un poco mal definida y generalmente nos referimos a una “masa actual” en lugar de una “masa polar” (la masa que pesaría en una báscula) porque los quarks no existen en los salvajes y siempre están dentro de otras partículas.

Es fácil ver que la diferencia de masa observada se reduce a que el quark down es más pesado que el quark up. Si tomamos esto más abajo, el quark down tiene más masa porque interactúa más fuertemente con el bosón de Higgs que el quark up. Realmente no entendemos por qué el quark down interactúa con el bosón de Higgs más que el quark up, es un parámetro fundamental de la naturaleza hasta donde sabemos en este momento.

El hecho de que la masa del quark down apenas supere la diferencia electromagnética de autoenergía es fundamental para obtener la física tal como la conocemos. Si el quark down era más ligero que el up quark, entonces el protón podría descomponerse en un neutrón (más un positrón y un neutrino) o posiblemente tanto el protón como el neutrón podrían ser estables. Alternativamente, si el quark down fuera mucho más pesado, el neutrón se descompondría muy rápidamente.

Todos estos escenarios son realmente malos para obtener un universo interesante. Si el protón pudiera descomponerse, tendríamos un universo lleno de neutrones y neutrinos. Si el neutrón se descompusiera rápidamente, entonces no habría núcleos complejos, sería un universo lleno de hidrógeno. Si ambos fueran estables, no tendríamos mucho hidrógeno, ya que la mayor parte habría sido procesada en helio en el Universo temprano y el helio es realmente aburrido químicamente.

También quiero señalar que la autoenergía del campo electromagnético probablemente hace una contribución no despreciable, dado que los protones están cargados y los neutrones no. Eso tendería a aumentar la masa de protones, creo que la compensación proviene del hecho de que los quarks caídos son más masivos (aunque eso también es una pequeña contribución, vea la sección sobre masa en el artículo de Quark), y el neutrón tiene dos pliegues y uno arriba mientras el protón tiene dos subidas y una baja. Supongo que casi se cancelan, pero la diferencia en las masas de quark gana un poco.

También es evidente que la contribución del gluón sería la mayor con diferencia, pero es probable que sea similar para las dos partículas, aunque eso es solo una hipótesis. De hecho, este tipo de cálculo no es realmente posible actualmente porque requiere un cálculo con un acoplamiento fuerte, que actualmente solo es posible para algunos modelos de juguetes.

Creo que la otra respuesta probablemente se refería a la contribución del gluón a la masa, no a la contribución del pión, como se explica en el artículo de Wikipedia (Quark).

El protón está compuesto de gluones y tres quarks, dos arriba y uno abajo, precisamente. Los neutrones también están compuestos de gluones y tres quarks, pero su combinación es diferente, uno arriba y dos abajo. Up quarks es más ligero que un down quark. Por lo tanto, el neutrón es un poco más pesado que un protón.

Según MC Physics, un neutrón contiene las mismas cargas mono (MC) que en un protón más algunos componentes de carga única de electrones y fotones. Esa estructura de neutrones es inestable por sí misma debido a conflictos internos de carga. Pero unido a los MC de quark de otros protones, como en un átomo, es estable.

Porque el protón está formado por 2 quarks arriba y 1 quark abajo y neutrones de 1 quarks arriba y 2 abajo. Y hasta los quarks son los más ligeros …