El Prot�n

Junto con los neutrones, los protones componen el n�cleo, unidos por la fuerza fuerte nuclear. El prot�n es un bari�n y se considera que est� compuesto de dos quarks up, y un quark down.

Durante mucho tiempo se ha considerado como una part�cula estable, pero los recientes desarrollos de modelos de la Gran Unificaci�n, han sugerido que podr�a decaer con una semi-vida de aproximadamente 10³² a�os. Se est�n realizando experimentos para ver si se pueden detectar tales decaimientos. El decaimiento del prot�n violar�a la conservaci�n del n�mero bari�nico y, al hacerlo, ser�a el �nico proceso conocido en la naturaleza que lo hace.

Cuando se dice que un prot�n est� formado por dos quarks up y uno down, se quiere decir que su apariencia neta o su conjunto neto de n�meros cu�nticos, coinciden con esa imagen. La naturaleza del confinamiento de quarks sugiere que los quarks est�n rodeados por una nube de gluones, y dentro del diminuto volumen de los protones, se pueden producir otros pares quark-antiquark y luego aniquilarse sin cambiar la apariencia externa neta del prot�n.

Decaimiento del Prot�n

Una de las consecuencias de las teor�as de la Gran Unificaci�n, es que el prot�n decaer�a con una semi-vida por encima del orden de 10³² a�os. Una semi-vida tan larga es muy dif�cil de medir, pero se est� llevando a cabo un experimento en una mina profunda en las minas de hierro de Soudan, en Minnesota, con la esperanza de conseguirlo. El experimento de desintegraci�n del prot�n Soudan 2, se realiz� entre 1989 a 2001, sin observar ning�n decaimiento convincente de protones. Estos experimentos sirven para hacer retroceder el l�mite inferior en la semi-vida de desintegraci�n del prot�n.

Otro conjunto de experimentos dise�ados para detectar decaimiento de protones se llev� a cabo en el detector Cherenkov, en el Super Kamiokande en Jap�n. Ed Kearns de la Universidad de Boston sugiri� los siguientes l�mites provisionales de la desintegraci�n de protones en una revista en 2001.

Modos de decaimientos del prot�n M�nima vida sugerida x 1032 a�os 50 37 11 7,8 6,1 2,9

A partir de este punto, parece que el tiempo de vida del prot�n, sobrepasa de 1033 a�os. La lista de los modos de decaimientos de la izquierda no es exhaustiva. Hay otros modos bajo investigaci�n que si se encuentran, sugerir�an una supersimetr�a. Modelado de la Probabilidad de Detecci�n

El Neutr�n

Junto con los protones, los neutrones forman el n�cleo, unidos por la fuerza fuerte nuclear. El neutr�n es un bari�n y se considera que est� compuesto de dos quarks down, y un quark up. Un neutr�n libre se desintegran con una semi-vida de unos 10,3 minutos, pero es estable si est� combinado dentro del n�cleo. El decaimiento del neutr�n implica una interacci�n d�bil como se indica en el diagrama de Feynman de la derecha. Este hecho es importante en los modelos del universo primitivo. El neutr�n es aproximadamente un 0,2% m�s masivo que el prot�n, lo cual se traduce en una diferencia de energ�a de 1,29 MeV.

El decaimiento del neutr�n est� asociado con una transformaci�n de quarks en la que por la interacci�n d�bil, un quark down se convierte en uno up. El tiempo de vida media de 10,3 min/0,693 = 14,9 minutos, es sorprendentemente largo para un decaimiento de part�culas que produce 1,29 MeV de energ�a. Se podr�a decir que este decaimiento tiene una "cuesta abajo" de energ�a pronunciada, y se esperaba que se produjera con rapidez. Es posible que un prot�n se pudiese transformar en un neutr�n, pero se tiene que proporcionar 1,29 MeV de energ�a para alcanzar el umbral para esa transformaci�n. En las etapas m�s tempranas del big bang cuando la energ�a t�rmica era mucho mayor que 1,29 MeV, se supone que la transformaci�n entre protones y neutrones se desarrollaba libremente en ambas direcciones, as� que hab�a una poblaci�n esencialmente igual de protones y neutrones

Decaimiento del Neutr�n

Un neutr�n libre, decaer� con una semi-vida de unos 10,3 minutos, pero es estable si est� combinado en el interior del n�cleo. Este decaimiento es un ejemplo del decaimiento beta, con la emisi�n de un electr�n y un antineutrino electr�nico. El decaimiento del neutr�n implica la interacci�n d�bil como se indica en el diagrama de Feynman de la derecha.

Un diagrama m�s detallado del decaimiento del neutr�n lo identifica como la transformaci�n de uno de los quarks down del neutr�n, en un quark up. Es un ejemplo del tipo de transformaciones de quarks que est�n implicados en muchos procesos nucleares, incluyendo la desintegraci�n beta.

El decaimiento del neutr�n es un buen ejemplo de las observaciones que condujeron al descubrimiento del neutrino. Se puede utilizar un an�lisis de la energ�tica del decaimiento, para ilustrar los dilemas que enfrentaron los primeros investigadores de este proceso.

Utilizando el concepto de energ�a de enlace, y representando las masas de las part�culas por sus energ�as de masa en reposo, se puede calcular la producci�n de energ�a a partir del decaimiento de neutrones a partir de las masas de las part�culas. El producto energ�tico es tradicionalmente representado por el s�mbolo Q. Dado que en el decaimiento se deben conservar la energ�a y el momento, se sigue que el electr�n m�s ligero arrastra la mayor parte de la energ�a cin�tica. Con una energ�a cin�tica de esta magnitud, se debe utilizar la expresi�n de la energ�a cin�tica relativista.

Por el momento se presume (incorrectamente) que el decaimiento involucra s�lo como productos, al prot�n y al electr�n. La producci�n de energ�a Q se dividir�a entre el prot�n y el electr�n. El electr�n obtendr� la mayor parte de la energ�a cin�tica y ser� relativista, pero el prot�n es no relativista. El balance de energ�a es entonces

En el marco de referencia en reposo del neutr�n, la conservaci�n del momento requiere

y pc_electr�n se puede expresar en t�rminos de la energ�a cin�tica del electr�n

Mostrar

El balance de energ�a viene a ser entonces

Cuando se sustituyen los n�meros para este valor de Q, se ve que el t�rmino KE_e² es despreciable, por lo que se puede calcular la energ�a cin�tica requerida del electr�n. La energ�a cin�tica requerida del electr�n para este esquema de decaimiento de dos part�culas es

T�ngase en consideraci�n que la energ�a cin�tica m�xima del prot�n que retrocede es solo aproximadamente 0,4 KeV, por lo que las energ�as de retroceso de otros n�cleos que han emitido part�culas beta son muy peque�as en comparaci�n con las energ�as de los electrones.

Del mismo modo, el momento del electr�n para este decaimiento de dos part�culas est� limitado a ser

El momento y la energ�a del decaimiento de dos part�culas est� limitado a estos valores, pero esta no es la forma en que se comporta la naturaleza. El momento observado y las distribuciones de energ�a del electr�n, son como se muestran abajo.

El hecho de que los electrones producidos por la descomposici�n de neutrones tuvieran distribuciones continuas de energ�a y momento, era una clara indicaci�n de que junto con el electr�n y el prot�n, se hab�a emitido otra part�cula. Ten�a que ser una part�cula neutra, y en ciertos decaimientos se llevaba casi toda la energ�a y momento. Esto no habr�a sido tan extraordinario excepto por el hecho de que cuando el electr�n ten�a su m�xima energ�a cin�tica, representaba toda la energ�a Q disponible del decaimiento. As� que no hab�a energ�a sobrante para tener en cuenta la energ�a de masa de la otra part�cula emitida. Los primeros experimentadores se enfrentaron al dilema de una part�cula que podr�a llevarse casi toda la energ�a y momento del decaimiento, pero que no ten�a carga y �aparentemente sin masa!.

La misteriosa part�cula fue llamada neutrino, pero veinte cinco a�os antes Cowan y Reines llevaron a cabo una observaci�n inequ�voca experimental del mismo. La comprensi�n actual de la desintegraci�n del neutr�n es

Este decaimiento ilustra algunas de las leyes de conservaci�n que rigen el decaimiento de part�culas. El prot�n en el producto satisface la conservaci�n del n�mero bari�nico, pero la aparici�n del electr�n no acompa�ado violar�a la conservaci�n del n�mero de leptones. La tercera part�cula debe ser un antineutrino electr�nico para permitir al decaimiento satisfacer la conservaci�n del n�mero lept�nico. El electr�n tiene un n�mero lept�nico 1, y el antineutrino tiene el n�mero lept�nico -1.