Как долго это долго?

Так что «период полураспада всего около 12 минут» на самом деле является странной идеей для большинства ваших читателей. 12 минут — это очень много, с атомарной точки зрения! Мол, заряженные пионы имеют период полураспада 18 наносекунд, незаряженные — 58 нано-наносекунд (аттосекунд). Вы можете сказать: «Ну, это мезоны, а не барионы, как протон и нейтрон», но на самом деле это первый из когда-либо открытых новых барионов,$\Lambda^0$, имел период полураспада 0,18 нс, и это считалось настолько странным (в том смысле, что оно намного длиннее, чем ожидалось!), что считалось, что недавно открытая частица обладает качеством, называемым странностью , и это в конечном итоге стало названием соответствующего исследования. кварк; его до сих пор называют «странным кварком».

Разница в массе

Нейтрон распадается на протон по простой причине: протон состоит из двух верхних и нижних слоев, нейтрон состоит из двух нижних и одного верхнего, а нижний кварк по своей природе более массивен , чем верхний. Теперь есть тонкость: подавляющее большинство масс протона и нейтрона происходит от их энергии связи сильного взаимодействия через$E=mc^2,$вот почему они имеют практически одинаковую массу в полностью собранном виде, немногим более 930 МэВ. (Электрон-вольт, или эВ, — это количество энергии, которое получает электрон, когда он проходит через один вольт разности потенциалов; он соответствует определенной массе после деления на$c^2.$) Но верхние кварки в этих частицах примерно на 2 МэВ легче, чем нижние кварки (на самом деле мы не знаем на 100% реальные массы, но история кажется примерно правильной), и дело в том, что этот промежуток ~2 МэВ достаточно велик, чтобы даже после создания электрона (0,5 МэВ) и нейтрино и с учетом большего электромагнитного самоотталкивания протон в целом все еще был легче на 1,3 МэВ. Легче означает меньшую энергию, что означает, что общая энергия распределена по вселенной больше, и в некотором смысле мы снова говорим об энтропии и статистике.

Вы можете удивиться, почему этот аргумент не идет дальше, к частице с тремя вершинами. Эта частица существует и называется$\Delta^{++}.$Однако тот факт, что «большая часть массы представляет собой энергию связи», снова нас огорчает, потому что часть этой энергии связи, как оказалось, находится в спиновой конфигурации кварков, составляющих нуклон. Это сводится к «принципу исключения Паули»: нижний и верхний кварк, будучи разными частицами, могут находиться в «одном и том же состоянии», но два верхних кварка должны быть «в разных состояниях». В деталях этот принцип исключения принимает форму, согласно которой конфигурация «аромата» вверх / вниз и конфигурация спина должны быть либо симметричными, либо антисимметричными, поскольку состояние цветового заряда антисимметрично, а общее состояние должно быть антисимметричным. Ну, вверх-вверх-вверх состояние$\Delta^{++}$и вниз-вниз-вниз состояние$\Delta^-$не может не быть симметричным; поэтому спин-состояние тоже должно быть симметричным, а спин-симметричное состояние имеет большую энергию, чем спин-антисимметричное состояние на 200-300 МэВ. Напротив, есть две конфигурации (1u, 2d) и (2u, 1d): те, которые являются флейвор-антисимметричными и спин-антисимметричными, имеют общий спин 1/2 и представляют собой протон и нейтрон; те, которые являются ароматосимметричными и спин-симметричными, имеют общий спин 3/2 и являются$\Delta^+$а также$\Delta^0.$В любом случае, дело в том, что дополнительная энергия, которая должна быть связана в этом состоянии, чтобы сохранить дополнительный спин в системе, очень велика, поэтому вы не видите этих частиц в природе.

Квантовое туннелирование

Таким образом, нейтроны представляют собой более высокое энергетическое состояние, чем протоны, и квантовая механика говорит, что если когда-либо будет существовать более низкое энергетическое состояние и существует какой-либо процесс, который может передавать энергию наружу, то в конечном итоге система окажется в этом более низкоэнергетическом состоянии. государство. Но это может занять некоторое время, если процесс передачи требует больше энергии, чем имеет система, и в этом случае квантовая механика должна «туннелировать» через состояние с более высокой энергией, что занимает некоторое время из-за неопределенности времени и энергии. Вот почему этот процесс для нейтронов длится так долго ; единственный путь предполагает создание$W^-$бозон, который в конце концов распадается на электрон и антинейтрино, но бозон в середине имеет очень большую массу — 80 000 МэВ или около того — и поэтому нет достаточной массы, чтобы создать один из них. QM должен пройти через это$W$-бозонное состояние.

Как присутствие других нуклонов стабилизирует нейтроны?

С другой стороны, когда эти барионы находятся внутри ядра, притяжение различных барионов может создать силу, которая «удерживает вместе» нейтроны в том смысле, что распад нейтрона увеличивает энергию всего сформировавшегося ядра. На самом деле это происходит по тому же механизму, что и$\Delta^{++}$барион стоит энергии, что исключение Паули.

Итак, если вы имели дело с атомами, вы знаете, что два незаряженных атома все равно будут «прилипать» друг к другу силами Ван-дер-Ваальса, которые просто имеют отношение к тому, что «даже если общий заряд равен 0, все еще существует некоторое распределение заряда». структура здесь, которая имеет большое значение на коротких дистанциях». Нуклоны _внутри атомов на самом деле имеют очень похожее свойство, хотя цветовой заряд сложнее, чем электрический заряд. По сути, эти протоны и нейтроны удерживаются внутри вместе с этими глюонами в частицы с нейтральным цветовым зарядом; но они все еще могут «прилипнуть» друг к другу за счет сильного взаимодействия, как правило, путем обмена виртуальными пионами. Пионы — это мезоны: комбинации кварка и антикварка с зарядами противоположного цвета, так что в конечном итоге они также становятся нейтральными по цвету. В этом случае верхний антинижний мезон называется$\pi^+$а нижний антиверхний мезон называется$\pi^-$и есть два очень недолговечных$\pi^0$мезоны между ними, верх-антиверх и низ-антиниз. Они были предсказаны Юкавой задолго до того, как мы узнали что-либо о кварках: фактически они были нашим первым прыжком в кроличью нору! Но в любом случае существуют эти короткоживущие пионы, которые «склеивают» протоны и нейтроны на коротких расстояниях.

Теперь приходит исключение Паули и говорит: «Эй, эти протоны и нейтроны тожеодин протон связан с одним нейтроном этими пионами. Добавьте еще один нейтрон, и он станет слабо нестабильным тритием с периодом полураспада 12 лет, добавьте еще один нейтрон, и результат будет крайне нестабильным.

На самом деле здесь существует баланс, при котором выигрыш в энергии от способности «сбрасывать» несколько энергетических оболочек может привести к тому, что ядро ​​со слишком малым количеством нейтронов и слишком большим количеством протонов испустит позитрон (антиэлектрон) в обратном бета-распаде, превращая в нейтрон, чтобы «сбросить» несколько снарядов вниз по энергии. Эти ядра очень полезны в медицине, потому что затем позитрон обычно аннигилирует с электроном, создавая два гамма-луча, идущих в противоположных направлениях, и обнаружение этих гамма-лучей — это то, как работает ПЭТ-сканер. Итак, вы говорите: «Выпейте эту жидкость, излучающую позитроны!» а затем вы можете определить с помощью ПЭТ-сканера, куда делись все эти атомы в теле.

Основной принцип физических наблюдений состоит в том, что все переходит в состояние с наименьшей энергией, если это возможно. Масса нейтрона на Мэв больше массы протона, и он может распасться до протона в результате слабого взаимодействия.

Это диаграмма Фейнмана распада:

Обратите внимание на виртуальный W. Если он реальный, он имеет массу, близкую к 100 ГэВ, поэтому в интегралах он очень сильно выходит за пределы массовой оболочки. Две вершины слабого взаимодействия и большая масса виртуального W дают наблюдаемую вероятность распада в 15 минут.

Конечно, нужно иметь в виду, что распады нейтронов исследовали и определили слабое взаимодействие, и оно было бы круговым, если бы у нас не было множества других слабых взаимодействий, которые согласуются с моделью, включенной в стандартную модель физики элементарных частиц.