Dado que los neutrones están hechos de quarks, ¿por qué se forma un electrón (un leptón) en la desintegración beta?

Excelente pregunta, y una que ha estado a la vanguardia de la ciencia desde hace bastante tiempo, en cierto sentido.

Hay una respuesta fácil: los quarks interactúan no solo por la fuerza fuerte (que mantiene a los quarks unidos en neutrones y protones) sino también por las fuerzas débiles y electromagnéticas.

Debido a que los quarks interactúan a través de la fuerza débil, los electrones y los positrones (que son las partículas de los “rayos beta”) se producen a partir de la desintegración de neutrones y en la desintegración radiactiva de los núcleos pesados.

En la desintegración de neutrones, un quark hacia abajo se desintegra en un quark hacia arriba y emite un electrón y un neutrino. Esto implica un bosón W intermedio, que está “fuera de caparazón”, lo que significa que (muy temporalmente) su masa es mucho menor que su verdadera masa de 80.4 GeV. De hecho, es por eso que la fuerza débil es débil y un neutrón libre dura aproximadamente 11 minutos antes de que esto suceda.

¿Por qué está esto a la vanguardia de la ciencia? Durante mucho tiempo fue un misterio por qué la fuerza débil es débil, y la teoría es que esto se debe a que el portador de la fuerza débil, el W, es masivo. Muy masivo. ¿Pero por qué? Esto se debe al mecanismo de Higgs, que postuló la existencia del campo de Higgs, que da masa a los bosones W y Z mientras deja el fotón (el portador de la fuerza electromagnética) sin masa.

Como sin duda sabe, los experimentos del LHC han descubierto el bosón de Higgs y están comenzando a determinar sus propiedades con precisión. Esta es una confirmación sorprendente de la teoría de la fuerza débil, y aunque pueda pensar que completa la imagen, en mi opinión, es solo el comienzo …

La “desintegración radiactiva” ordinaria no siempre consiste en una partícula que se descompone en sus componentes.

Cuando un átomo emite luz (como en una lámpara fluorescente o un diodo emisor de luz), el fotón emitido no existe con el átomo antes de ser emitido. Se crea en el momento de la emisión. De manera similar con los tipos más comunes de desintegración radiactiva, llamada “desintegración beta”. En esa descomposición, se crean nuevas partículas, típicamente un electrón y un neutrino.

Algunos tipos de desintegración radiactiva consisten en una ruptura. La “desintegración alfa” consiste en una partícula alfa preexistente (un haz de dos protones y dos neutrones) que sale de un núcleo. La fisión es un tipo de desintegración radiactiva en la que un núcleo se rompe espontáneamente en (generalmente) dos piezas, a veces con algunos neutrones (que también estaban dentro del núcleo) disparándose también.

Las desintegraciones radiactivas se nombraron secuencialmente a medida que fueron descubiertas, después de las letras del alfabeto griego: alfa, beta, gamma. La desintegración gamma consiste en la creación de un nuevo fotón de alta energía (rayos gamma) que no existía dentro del núcleo antes de su emisión.

Por definición, la desintegración beta es una desintegración radiactiva en la que se libera un electrón.

Un neutrón es un poco más masivo que un protón. Cuando un neutrón sufre una desintegración beta, un quark down dentro del neutrón se desintegra a un quark up más un bosón W virtual; el W se descompone inmediatamente en un electrón + antineutrino. Dado que un neutrón contiene quarks udd y un protón contiene quarks uud, el proceso también se puede describir diciendo que el neutrón se desintegra a un protón, un electrón y un antineutrino con sabor a electrones.

Esta descomposición conserva todos los números cuánticos relevantes:

• Carga eléctrica: el neutrón y el antineutrino son neutros; el +1 del protón equilibra el -1 del electrón
• Número de barión: el neutrón y el protón tienen el mismo número de barión (1); los leptones carecen de número bariónico
• Número de leptones: el protón y el neutrón no tienen ninguno; el número de leptones del electrón (1) equilibra el del antineutrino (-1)
• Número de electrones: el mismo patrón que el anterior

Según MC Physics, todos los neutrones, quarks, leptones, fotones y TODA la materia están formados por unas pocas mono-cargas singulares, cada una con un tipo de carga (+ o-) y con varias fuerzas de carga. Tales cargas mono causan toda la fuerza y ​​forman toda la materia.

Más información sobre la formación de materia en: “Modelo de Física MC de Partículas Subatómicas usando Mono-Cargas”, http://viXra.org/pdf/1611.0080v1.pdf

En MC Physics, los neutrones son solo una versión neutral de los protones. Motivo: Todas las cargas en la naturaleza son fuerza de atracción de carga eléctrica impulsada para atraer y unirse con cargas opuestas hasta que son neutrales en general.

Por lo tanto, los neutrones son protones con algunas cargas adicionales más débiles, por ejemplo, electrones. Es por eso que una fuerza externa (digamos un campo de confinamiento) puede interrumpir esa unión y causar la emisión de ese electrón.

De hecho, es un proceso curioso. Se conserva la longitud absoluta del vector energía-momento para el neutrón. Después de la descomposición, tenemos el electrón, el positrón y el neutrino. La longitud del ímpetu total de energía aún no ha cambiado. Entonces, si piensas en este 4-vector de momento-energía como una ‘cosa’; nada ha cambiado. Lo que sucedió es que este vector ha rotado en el espacio-tiempo y se ha dividido en tres vectores, de arriba a abajo de tal manera que se preserva la longitud total de la resultante.

Cómo se hacen estos vectores de arriba a abajo es el misterio detrás de las reglas que rigen los Campos Cuánticos; gran parte de lo cual se entiende por el presente ‘modelo estándar’. Todo lo que podemos hacer es asignar amplitudes de probabilidad a este ‘proceso’; y para todos los procesos que involucran la no conservación de partículas en la teoría de campo, sin embargo, la “mecánica” real de cómo se forman estas partículas; por ejemplo en este caso desde el quark hacia abajo dentro del neutrón; sigue siendo un completo misterio.

En resumen entonces; cuando ves la famosa ecuación de Einstein E = mc ^ 2; es una ‘equivalencia’; no es un estricto ‘igual’, ya que solo ‘ve’ esta ecuación en la naturaleza cuando ese 4-vector de impulso de energía gira o se divide de la manera mencionada anteriormente.

Como explicó Elizabeth H. Simmons, tanto los quarks como los leptones participan en la interacción débil.

Un quark up puede convertirse en un quark down o viceversa emitiendo o absorbiendo una partícula W + / W-.

Por el contrario, un electrón puede convertirse en un neutrino electrónico o viceversa al emitir o absorber una partícula W + / W-.

Entonces, esto es exactamente lo que sucede: un quark down se convierte en un quark up, emitiendo un W-; el W- luego se convierte en un electrón y un antielectrón-neutrino, como se ve en el siguiente diagrama de Feynman:

Estás hablando de la desintegración beta. La formación de electrones se debe a la conservación de las cargas. Cuando un neutrón se descompone en protón, emite elestrón y antineutrino electrónico. La partícula inicial tiene carga 0, por lo que la suma de las cargas de las partículas resultantes debe ser 0, electrón (-), protón (+) y antineutrino electrónico (0) que, cuando se agrega, da carga 0.

Las partículas no necesitan descomponerse solo en sus componentes. Mientras se cumplan las leyes de conservación, la descomposición puede dar lugar a partículas no relacionadas.

Como otro ejemplo, quizás más simple, considere la descomposición de los estados excitados de los electrones. Un electrón emite un fotón y vuelve al estado fundamental. ¿De dónde viene ese fotón? Ciertamente no es un componente del electrón, que es una partícula fundamental. Simplemente llega a existir, mientras se obedece la conservación de la energía.

Como se sabe por la interacción nuclear débil, que el nneutrón n es inestable, su tiempo de vida es de aproximadamente 13-15 minutos. Su masa es de aproximadamente 939.56. Está compuesto de quarks ddu (de arriba abajo). Se descompone de la siguiente manera, n —-> p + e- + v- (anti neutrino). Esto puede ser más clerical usando la desintegración detallada, uno de los quark down (d) del neutrón, de hecho, decy a un quark up (u) a través de la emisión de W ^ – bosón hasta quark haciendo el protón (uud), el W ^ – decae en aproximadamente 10 ^ -8 segundos. a electrón + antineutrino.
Esto se puede dibujar fácilmente. También se puede ver que el neutrón tiene aproximadamente 0,78 MeV más que la masa del protón que es suficiente para crear electrones (m = 0,511 MeV)
, la otra energía restante es tomada por el neutrino.