Jak długo trwa żywot neutronu?

Kiedy neutron przebywa w jądrze atomu wydaje się bardzo solidny. Potrafi decydować o stabilności pierwiastków i wpływa na strukturę budującej nas materii. Jednak puszczony wolno, najczęściej ginie w przeciągu kilkunastu minut.

Krótko. W odróżnieniu od protonu, swobodny neutron szybko staje się niestabilny i ulega rozpadowi. Według najnowszych szacunków średni czas życia samotnego neutronu wynosi 877,75 sekundy, czyli 14 minut i niecałe 38 sekund.

O tym, że neutrony mają krótką datę ważności wiemy od bardzo dawna, co nie przeszkadza uczonym z całego świata prowadzić kolejnych, coraz dokładniejszych pomiarów. Prawdopodobnie największymi specjalistami w tej dziedzinie są fizycy z Uniwersytetu Indiany, którzy wałkują temat neutronów już drugą dekadę. Ich ostatni projekt – eksperyment UCNtau – poddał analizie 40 milionów cząstek, co pozwoliło ustalić czas życia swobodnego neutronu na 877,75 sekundy.

Pokaźna próba ma znaczenie, ponieważ poruszamy się w obrębie mechaniki kwantowej i statystyki, gdzie zawsze mówimy o średniej. Dokładny moment przemiany konkretnej cząstki jest nieprzewidywalny: jedna padnie po 3 sekundach, inna po 5 minutach, jeszcze inna po tygodniu. Niecały kwadrans to przeciętny czas istnienia, wyliczony z największą jak dotąd precyzją.

No dobrze, ale jak i dlaczego neutron ulega rozpadowi?

Jeśli się dłużej zastanowić, nie ma w tym fakcie niczego zaskakującego. To przecież normalne, że zarówno atomy i cząstki podlegają przemianom, dążąc do osiągnięcia jak najstabilniejszej postaci, co zwykle ma związek z możliwie niskim stanem energetycznym. I tak, w przypadku samodzielnego neutronu, prędzej czy później dochodzi do spontanicznej transformacji w… proton.

Dlaczego akurat w ten sposób? Tak naprawdę mamy do czynienia z dwiema podobnymi cząstkami. Protony i neutrony wspólnie tworzą jądra atomowe i należą do rodziny barionów, co oznacza, że posiadają głębszą wewnętrzną strukturę, złożoną z trzech kwarków[1]. Różnice sprowadzają się do ładunku elektrycznego (proton jest dodatni, neutron obojętny) oraz masy. Podczas gdy proton “waży” 938,3 MeV (megalektronowoltów), masa neutronu wynosi 939,6 MeV. Właśnie ta minimalna dysproporcja wynosząca 1,3 MeV stanowi źródło niestabilności. To balast, który neutron próbuje zrzucić, przekształcając się w swojego stabilniejszego kuzyna – i w ogóle najtrwalszy rodzaj barionu – czyli proton.

Rzecz jasna mówimy o fizyce, gdzie nic nie ginie, a każdy proces musi uwzględniać zasady zachowania. W tym przypadku, rozpadający się neutron powinien gdzieś oddać nadmiarową masę oraz zmienić ładunek elektryczny. Przemiana, nazywana rozpadem beta (β), nie wygląda zatem w ten sposób:

Rozpad neutronu

tylko tak:

Przemiana neutronu w proton

A jeszcze dokładniej to tak:

Przemiana beta
Kiedy neutron ulega rozpadowi, jeden z kwarków dolnych zmienia się w kwark górny, co prowadzi do powstania protonu. Po drodze emitowany jest elektron oraz antyneutrino elektronowe – ale za pośrednictwem bozonu W, tj. cząstki wirtualnej, będącej nośnikiem oddziaływania słabego. Jeśli interesują was tego rodzaju szczegóły, to zajrzyjcie do poprzednich artykułów.

Neutron zmienia się w proton, ale przy okazji wyzwala antyneutrino elektronowe oraz elektron, dzięki czemu obie strony równania wychodzą na zero[2]. Sam proton jest niesłychanie stabilny i nie ulega dalszym rozpadom, a jeśli, to bardzo, bardzo rzadko. Na tyle, że jak dotąd nigdy nie zarejestrowaliśmy takiego procesu i nie wiemy, jak mógłby przebiegać[3].

Pozostaje jeszcze jedna kwestia. Dlaczego ten sam delikatny neutron, po zamknięciu w jądrze atomu, cieszy się niemal dowolnie długim życiem? Istnieje kilka przyczyn takiego stanu rzeczy. Pisząc najogólniej, cząstki wewnątrz jądra tworzą wspólny i złożony ekosystem, częściowo porzucając własną autonomię. W ekosystemie tym dochodzi do nieustannej żonglerki ładunkami kolorowymi (przenoszonymi przez gluony) i wymiany wirtualnych mezonów pi. Sytuacja jest więc dynamiczna, a protony i neutrony nieustannie zyskują nową tożsamość.

Warto również zwrócić uwagę na fakt, że masa całego jądra atomowego nie jest prostą sumą mas tworzących go nukleonów. Przykładowo, proton oraz neutron “ważą” łącznie 1877,9 MeV, ale jeżeli się przytulą, to uformują jądro deuteru (izotop wodoru) o masie 1875,7 MeV. Oznacza to, że podczas fuzji wyciekło gdzieś 2,2 MeV – i tyle energii musielibyśmy dostarczyć do układu, aby na powrót rozdzielić obie cząstki. Zauważcie, że “deficyt” w wysokości 2,2 MeV jest większy niż wspomniane 1,3 MeV, które swobodny neutron zrzuca z siebie podczas przepoczwarzenia w proton. Rozpad traci więc swoje uzasadnienie i wręcz wymagałby dostarczenia dodatkowej energii z zewnątrz.

[+]
Gdzie zaczyna się przestrzeń kosmiczna? Dlaczego kwark i antykwark nie anihilują? Co i kiedy opuści Układ Słoneczny?