Dezintegrarea unui neutron liber - în proton, electron și antineutrino
Dintr-un anumit punct de vedere, particulele sunt de două tipuri: elementare, precum fotonul sau electronul (care nu sunt compuse din alte particule), și complexe, precum protonul sau neutronul (care sunt compuse din alte particule).
Un aspect mai puțin discutat și, în consecință, mai puțin cunoscut este că unele particule elementare, deși nu sunt compuse din alte particule, se pot dezintegra, din acestea luând „naștere” alte particule elementare.
În acest articol o să discut despre două lucruri: de ce unele particule, elementare sau compuse, se dezintegrează (iar altele nu) și care sunt regulile pe care le urmează acestea atunci când se dezintegrează.
Din punct de vedere al timpului necesar pentru a suferi procesul de dezintegrare, particulele sunt de trei tipuri:
- particule stabile, precum fotonul, care nu se dezintegrează.
- particule metastabile, care au nevoie de foarte mult timp pentru a se dezintegra, precum protonul.
- particule instabile.
Despre particulele elementare am scris o serie de articole pe care le puteți citi în secțiunea dedicată a site-ului. Două articole cu care puteți începe, dacă nu sunt familiarizați cu subiectul sunt:
• Particulele elementare - blocurile fundamentale din care este constituit universul
• Teoria modelului standard al particulelor elementare .
Particulele stabile
Singurele particule stabile cunoscute sunt:
• electronul (și antiparticula sa, pozitronul)
• neutrino electronic (cel mai ușor tip de neutrino) și antiparticula sa
• fotonul (care este și propria antiparticulă)
• gravitonul (particulă responsabilă pentru gravitație, deocamdată ipotetică, pentru că nu a fost descoperită)
Particulele metastabile
Particulele metastabile, care au nevoie de timp îndelungat pentru a se dezintegra, sunt:
• neutrino miuonic și neutrino tauonic (și anti-particulele acestora)
• protonul (care este, în fapt, format din quarcuri)
• nucleul atomic.
Este interesant de observat că o particulă compusă, precum neutronul, în interiorul atomului poate dura cât universul, dar izolat, în afara atomului, se dezintegrează în circa 15 minute.
Particulele instabile
Dacă ați citit articolul despre particulele elementare recomandat mai sus, ați văzut că sunt multe particule elementare identificate de fizicieni.
Pe scurt, avem de-a face cu următoarele tipuri de particule:
I. Fermionii, particule cu masă, formate din leptoni (nu sunt afectați de forța nucleară tare, ci de celelalte forțe: gravitațională, electromagnetică și nucleară slabă) și quarcuri (afectați de forța nucleară slabă).
Leptonii: electronul, miuonul, tauonul, neutrinul electronic, neutrino miuonic și neutrino tauonic.
Quarcurile: up, down, charm, strange, top și bottom.
II. Bosonii, așa-numitele particule-forță: gravitonul (forța gravitațională), fotonul (forța electromagnetică), gluonul (forța nucleară tare), bosonii W+, W- şi Z0 (forța nucleară slabă).
Cele mai multe dintre particule sunt instabile, având durata de viață între 10−13 și 896 secunde (durata de viață a unui neutroni liber).
De ce se dezintegrează particulele?
Modul în care particulele interacționează unele cu altele diferă de la particulă la particulă. De exemplu, fotonii interacționează puternic cu materia obișnuită, ceea ce este fundamental pentru simțul văzului și pentru faptul că obiectele nu sunt transparente și astfel nu ne lovim de ele.
Dacă fotonii ar trece prin scaunul din fața ta fără a interacționa cu atomii care-l constituie, atunci nu ai avea cum să-l observi și te-ai lovi de el, cum se întâmplă cu un geam curat și care reflectă foarte puțin lumina.
În schimb, neutrino interacționează foarte slab cu materia obișnuită, ceea ce înseamnă că aceste particule trec prin corpurile noastre și prin întreg corpul planetei fără a fi în vreun fel afectate de aglomerarea de atomi prin care trec.
Quarcurile, care compun protonii și neutronii din nucleele atomice, interacționează puternic unele cu altele, dar foarte slab cu electronii din jurul nucleului atomic.
În principiu, cu cât mai puternică interacțiunea, cu atât mai mare probabilitatea dezintegrării unei particule, iar cu cât este mai comun un tip de dezintegrare, cu atât mai scurtă durata de viață a unei particule. Dar aceasta nu este întreaga poveste. Mai jos o să vezi de ce puterea interacțiunii este doar un factor în dezintegrare.
Regulile după care se dezintegrează particulele (și de ce unele nu se dezintegrează)
În esență, regulile care descriu dezintegrarea particulelor sunt „legi ale conservării”, în sensul că anumite cantități/ proprietăți nu se pot modifica, cum ar fi energia, impulsul sau sarcina electrică. Înțelegerea acestor „legi” permit fizicienilor să înțeleagă mecanismul dezintegrării particulelor.
Iată care sunt regulile dezintegrării.
1. O particulă se poate dezintegra doar în două sau mai multe particule
Probabil pare o afirmație banală, dar nu este chiar așa. De ce nu s-ar putea transforma pur și simplu o particulă în altă particulă? De ce nu s-ar transforma un neutron liber, că tot l-am amintit mai sus, într-un proton? În fapt, se întâmplă asta, dar nu doar atât. Un neutron liber se dezintegrează într-un proton, un electron și un anti-neutrino (proces reprezentat în imaginea de mai sus).
Dar de ce nu se transformă o particulă într-o altă particulă, pur și simplu?
Iată raționamentul:
- presupunem că avem în fața noastră o particulă, în repaus, cu o anumită masă.
- masa de repaus a particulei 1 (originală) = masa de repaus a particulei 2 (după dezintegrare) + energia cinetică (de mișcare) a particulei 2
- energia cinetică este echivalentă cu masa, asta însemnând că masa de repaus a particulei 2 va fi mai mică decât masa de repaus a particulei 1 (pentru a respecta egalitatea)
- dacă particula doi are energie cinetică, are impuls (căci se mișcă)
- dar particula 1 nu are impuls (pentru că e în repaus), dar în acest caz nu se respectă legea conservării impulsului!
- așadar, o particulă nu se poate dezintegra într-o altă particulă, ci neapărat în două sau în mai multe.
2. Masa particulei „originale” trebuie să fie mai mare decât suma maselor particulelor produse în dezintegrare
Într-un proces de dezintegrare, energia totală și impulsul total rămân neschimbate (se conservă), dar, interesant, masa trebuie să scadă.
Iată raționamentul:
- presupunem că avem în fața noastră, în repaus, o particulă cu o anumită masă.
- după dezintegrare în alte două particule, acestea au, fiecare, o masă de repaus, plus energia cinetică (echivalentă cu o anumită masă, conform formulei E=mc2).
- prin urmare, suma maselor celor două particule rezultate după dezintegrare este mai mică decât masa particulei originale, egalitatea păstrându-se grație energiei cinetice (echivalente cu o anumită masă).
Și aici ajungem să înțelegem un lucru pe care l-am afirmat mai sus, și anume că un foton este o particulă stabilă. Pentru că un foton este o particulă fără masă, atunci acesta nu are cum să se dezintegreze, pentru că nu există particule cu masa mai mică decât masa 0.
3. Sarcina electrică totală de dinainte și după dezintegrare trebuie să fie identică
Sarcina electrică, cum spunem mai sus, este o cantitate care se conservă, ca energia sau impulsul.
Dacă sarcina se conservă, atunci un boson W-, care este o particulă cu masă mare și sarcină electrică negativă, se poate dezintegra într-un electron (-) și un anti-neutrino (sarcină 0), dar nu într-un pozitron (+) și un neutrino (0).
Iar acum putem explica de ce am afirmat mai sus că electronul este o particulă stabilă. Fiind cea mai ușoară particulă cu sarcină electrică, nu există nicio particulă ce ar putea rezulta din dezintegrarea electronului. Există particule cu masă mai mică, precum neutrino, fotonul sau gluonul, dar acestea nu au sarcină electrică.
4. Numărul total de fermioni de după dezintegrare trebuie să fie mai mare cu un număr par
Fermionii, cum spuneam mai sus, sunt particulele cu masă.
Această regulă interzice unui neutron să se deintegreze, să zicem, într-un proton și un electron (ambele fermioni, particule cu masă), pentru că nu ar fi îndeplinită condiția stabilită (diferență de 2 fermioni).
În schimb, un neutron se poate dezintegra într-un proton, un electron și un anti-neutrino, pentru avem o particulă originală (protonul) și trei particule după dezintegrare, toate fermioni, regula privind diferența care să constea într-un număr par fiind respectată.
5. Numărul total de quarcuri minus numărul total de anti-quarcuri nu trebuie să se schimbe
Narațiunea standard este aceea că un proton este alcătuit din trei quarcuri de două tipuri (două quarcuri up și un quarc down). Dar nu este așa! Un proton este mai degrabă o structură supercomplexă. În fapt este vorba despre diferența dintre numărul total de quarcuri și numărul total de antiquarcuri. Întotdeauna într-un proton vor fi cu două quarcuri up mai mult decât numărul de antiquarcuri up și cu un quarc down mai mult decât numărul de antiquarcuri down.
Protonul este cea mai ușoară particulă care are mai multe quarcuri decât anti-quarcuri, ceea ce face particula metastabilă (pentru că mulți fizicieni cred, deși nu a fost demonstrat experimental, că protonul este totuși un pic instabil).
Un proton nu se poate dezintegra în nicio combinație de electroni, fotoni, neutrino șamd pentru că aceștia nu conțin quarcuri.
Acestea sunt regulile care determină modul în care au loc dezintegrările particulelor. De aici, puteți continua călătoria în zona particulelor, citind despre modul în care sunt distribuiți electronii într-un atom. Și în acest caz fizicienii au descoperit reguli interesante....
Articol inspirat de Why do particles decay? de Matt Strassler.
Credit imagine: wikipedia.org
