¿Por qué un quark down de un neutrón libre cambia su sabor a un quark up? ¿Y por qué no en un núcleo estable?

En física de partículas, si hay una interacción fundamental (o fuerza) que permite que tenga lugar una interacción determinada y no hay una ley de conservación que prohíba la reacción en un caso particular, entonces la reacción tendrá lugar. La velocidad a la que tiene lugar dependerá de la interacción particular y de la dinámica del estado inicial y final. En estos casos, la interacción permitida por la fuerza débil es:

[matemáticas] d \ rightarrow u + W ^ – \ rightarrow u + e ^ – + \ overline {{\ nu} _e} [/ math]

La fuerza débil también permite:

[matemáticas] u \ rightarrow d + W ^ + \ rightarrow d + e ^ + + {\ nu} _e [/ math]

La conservación de la energía típicamente permitirá una de estas reacciones y no permitirá la otra reacción dependiendo de la masa / energía de los estados inicial y final.

En el caso particular del neutrón libre y el protón libre, la ley de conservación de la energía permite [matemática] n \ rightarrow p [/ math] pero no permite [math] p \ rightarrow n [/ math]. Resulta que el neutrón es más pesado que el protón en [matemáticas] 1.3 MeV / c ^ 2 [/ matemáticas] (ver masa de neutrones – masa de protones) y, por lo tanto, hay suficiente energía disponible para crear un positrón ([matemáticas] 0.51 MeV / c ^ 2 [/ math]) y un neutrino ([math] \ aprox 0 MeV / c ^ 2 [/ math]) y aún les queda energía para ir a la energía cinética del positrón y el neutrino.

De hecho, la masa de quark hacia abajo menos la diferencia de masa de quark hacia arriba es [matemática] 2.8 MeV / c ^ 2 [/ math] (ver masa de quark hacia abajo – masa de quark hacia arriba) que explica más que la diferencia entre las masas de neutrones y protones: La diferencia en estas diferencias de masa probablemente se deba a la energía electrostática adicional que tiene el protón debido a su carga positiva neta.

Entonces, en los núcleos, es posible que los neutrones se descompongan en protones o que los protones se descompongan en neutrones, pero SOLO si la diferencia en energía del núcleo inicial y el núcleo final es algo mayor que [matemática] 0.51 MeV / c ^ 2 [/ math] necesario para crear un electrón o positrón. Tiene que ser algo más grande para permitir algo de energía cinética para el electrón / positrón más el neutrino.

Los neutrones se descomponen a través de una interacción débil. Dadas las leyes de conservación de la física de partículas (energía y número de bariones), está claro que si un neutrón libre se descompone, lo hace a través de un cambio de sabor de quark convirtiéndose en un fermión más ligero. Esto no es realmente una respuesta satisfactoria a “por qué” esto sucede, sino más bien un razonamiento del canal de reacción tomado (es decir, tiene sentido convertirse en un protón).

Por qué los neutrones dejan de hacerlo en un núcleo estable es más sencillo y proviene del principio de exclusión de Pauli: los niveles de energía interna del núcleo son tales que al descomponerse en un protón tendría que encontrar un lugar en un nivel de energía más alto (como más bajo ya están llenos de protones), lo que hace que la energía total no sea lo suficientemente grande como para que el neutrón se descomponga. Es decir. los bolsillos de baja energía disponibles para un nuevo protón ya están ocupados por fermiones similares y, por lo tanto, están excluidos de pauli.

Sin embargo, en algunos núcleos que son ricos en neutrones en relación con los protones, la estructura es favorable y la desintegración de neutrones en realidad ocurre como el canal preferido de desintegración nuclear. Verá esos isótopos en este mapa en la parte superior. Recuerde también que esto es solo un mapa de canales primarios.

En 1932, Carl Anderson demostró que la energía se divide en pares electrón-positrón y no quarks utilizando la tecnología de los años treinta. Los inventores de la teoría del quark y sus sucesores no han demostrado que la energía se divida en quarks incluso utilizando la tecnología del siglo XXI y es poco probable que lo hagan. Esto significa que la pregunta formulada es irrelevante en lo que respecta a los quarks.

Sin embargo, si la pregunta se reformula como “¿por qué el neutrón libre es inestable y el combinado es estable?”, Entonces puedo dar una respuesta más o menos.

Según el hallazgo de Anderson, los quarks no pueden existir ya que se dividen en un número igual de electrones y positrones; por lo tanto, no importa la asimetría de antimateria. Esto significa que los protones y los neutrones están hechos de electrones y positrones al igual que los átomos con sus núcleos hechos de positrones orbitados por electrones al igual que en los átomos; pero con el protón que tiene un positrón en exceso en su núcleo y el neutrón con el mismo número de electrones y positrones.

Con esa estructura en mente, la naturaleza muestra que la configuración del protón es muy estable. Por lo tanto, al agregar un electrón al protón, lo desestabiliza y lo convierte en un neutrón. Por lo tanto, el neutrón es inestable debido al electrón adicional en su configuración.

Cuando los protones y los neutrones se combinan para formar núcleos, lo hacen para formar orbitales nucleares al igual que los átomos se combinan para formar orbitales moleculares. Entonces el electrón desestabilizador ahora se mueve libremente dentro del orbital nuclear y no solo alrededor del neutrón; entonces todo el núcleo es estable a menos que haya demasiados o muy pocos neutrones en los que se expulse un electrón (demasiados) o se expulse un positrón (muy pocos). Debido a que el electrón desestabilizador está ahora en el orbital nuclear, el neutrón es indistinguible del protón.

Debido a que la combinación de los protones y los neutrones son electromagnéticos, no hay necesidad de las fuerzas nucleares o pueden describirse como manifestaciones de la fuerza EM sin usar gluones.

Creo que los quarks y los electrones pueden estar relacionados a través de mi noción de quarklets. Francamente, la noción de quarks “arriba” y “abajo” parece una alquimia de la Edad Media: es demasiado complicada y carece de la lógica que cabría esperar de la verdadera teoría. No creo que los cargos de “un tercio” existan fundamentalmente. Los Quarks se definen como (+2/3) + (+2/3) + (-2/3) por mí, y no lo olvides, el otro lado de esta proposición es: también se pueden definir como (+ 1 / 3) + (+1/3) + (-1/3). Estos dos patrones son solo dos caras de sus “monedas”.

Pero dado que un electrón tiene la misma carga que un tercio de un quark, estos “tercios” solo son relativos a sus quarks originales. No me gustan porque son confusos. Todos menos un tercio más se cancelan. Como un electrón es un sub-quarklet libre con dos quarklets, debe tener una carga (-2); Como el patrón de carga de quark de un protón es (++ / – / ++) + (- / ++ / -) + (++ / – / ++), tiene dos cargas eléctricas positivas excedentes (frente al electrón (-) Nota: cada quark tiene tres sub-quarks y, por lo tanto, seis quarklets en total.

Un quark está formado por tres positrones unidos o tres electrones. El quark “arriba” es positivo y el “abajo” negativo. El electrón en órbita los hace parecer “un tercio” porque lo es. Las masas de Quark son 612 veces electrones porque sus subcuarks son “muónicos”. Debido a la cancelación mutua, un protón solo tiene dos cargas excedentes. Por lo tanto, la materia está compuesta de leptones, la partícula más simple.

Cada lepton tiene tres suborbitales. Estos en el núcleo y el orbitus están disfrazados por ondas estáticas como resultado de la cancelación de carga mutua. Cada lepton tiene un neutrino también con tres fases: tauon; muon; y electron. Estos son los tres suborbitales, con el neutrino más pequeño (“electrón”) más alejado de su leptón primario (los “leptones” son electrones o positrones). Los gravitones y los fotones también rodean a los leptones cargados, por lo que los suborbitales almacenan energía y masa. Podría seguir, pero esto es suficiente por ahora. Pero los físicos deben saber que los hechos se rigen por una única lógica aplicable a todo …

Tras una reflexión adicional, veo un error en mi propuesta de que los leptones tienen suborbitales. En lugar de utilizar la masa relacionada con neutrinos como criterio para la proximidad suborbital, propongo girar y orbitar. Así, los neutrinos giran (+/- 1/2) por cada suborbita más cercana alrededor de sus leptones; en las siguientes sub-órbitas (más allá) los fotones giran (+/- 1), y en las más lejanas, los gravitones giran (+/- 2) por órbita. Sin embargo, debido a que un neutrino tiene sus tres fases de masa, también lo deben tener los fotones y los gravitones. Todas las subpartículas están hechas de leptones o son, pero están en diferentes suborbitales alrededor de sus primarios de leptones. Entonces, la “trinidad” del leptón explicaría los tres “colores” de los gluones; los tres sabores de los neutrinos y, a partir de esto, los tres estados térmicos de la materia. La gravedad también tendría tres estados que ayudarían a explicar la materia oscura y la energía.

Sin embargo, estos suborbitales se convierten en “estáticos” (ondas estacionarias) mediante carga mutua y cancelación de giro. Estas subpartículas se “particulan” cuando los electrones cambian las órbitas alrededor de los núcleos, por ejemplo. La estática es solo su estado de reposo …

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