Desintegración de neutrones libres

La desintegración del neutrón es energéticamente favorable debido a su energía de desintegración positiva . Esta energía se puede calcular como la diferencia entre las masas en reposo del neutrón y los productos resultantes. En este caso:

${\displaystyle m_{n}-m_{p}-m_{e}-m_{\bar {\nu }}=0.782343{\textrm {MeV}}}$

donde el cálculo se realiza en unidades de masa de${\displaystyle MeV/c^{2}}$y se utiliza la equivalencia masa-energía . La energía de desintegración se transporta como energía cinética de los productos resultantes.

La energía máxima del electrón de desintegración beta (en el proceso en el que el neutrino recibe una cantidad infinitesimal de energía cinética) se ha medido en0,782 ± 0,013  MeV . ^{[ 5 ]} Este último valor no se ha medido con la suficiente precisión como para determinar la masa en reposo, comparativamente pequeña, del neutrino (que, en teoría, debe restarse de la energía cinética máxima del electrón). La masa del neutrino se puede determinar con mayor exactitud mediante otros métodos.

Un neutrón siempre se desintegra en un protón, un electrón y un antineutrino electrónico. Sin embargo, existen casos especiales dignos de mención.

En aproximadamente el 1% de las desintegraciones, también se emite un fotón . ^{[ 6 ]}

Este fotón puede considerarse una especie de " bremsstrahlung interno " que surge cuando la partícula beta emitida (electrón) interactúa electromagnéticamente con la carga del protón. En este proceso, parte de la energía de desintegración se disipa como energía fotónica . Este modo también se produce en las desintegraciones beta de neutrones ligados, es decir, aquellos que se encuentran dentro de un núcleo.

Una minoría muy pequeña de desintegraciones de neutrones (alrededor de cuatro por millón) son las llamadas "desintegraciones de dos cuerpos (de neutrones)", en las que se producen un protón, un electrón y un antineutrino como de costumbre, pero el electrón no logra adquirir la  energía necesaria de 13,6 eV para escapar del protón (la energía de ionización del hidrógeno ) y, por lo tanto, simplemente permanece ligado a él, como un átomo de hidrógeno neutro (uno de los "dos cuerpos"). En este tipo de desintegración de neutrones libres, casi toda la energía de desintegración del neutrón es transportada por el antineutrino (el otro "cuerpo").

${\displaystyle {\text{n}}^{0}\rightarrow \ _{1}^{1}{\text{H}}+{\bar {\nu }}_{e}}$

El proceso inverso de recombinación de un protón y un electrón en un neutrón y un neutrino por captura electrónica ocurre en las estrellas de neutrones , bajo las condiciones de degeneración de neutrones . De manera similar, en la desintegración beta inversa , un protón y un antineutrino suficientemente energético pueden combinarse en un neutrón y un positrón .

El proceso de desintegración del neutrón libre comparte un elemento de matriz cuántica con la sección transversal de la reacción en cadena protón-protón . ^{[ 2 ]}

La vida media de desintegración influye en los modelos de nucleosíntesis del Big Bang , y en particular en la relación protón-neutrón en el universo temprano . ^{[ 3 ]}

La desintegración es una fuente de datos sobre el comportamiento de baja energía de la interacción débil. ^{[ 11 ]} La vida media de la desintegración se puede utilizar como entrada para determinar${\displaystyle V_{\mathrm {ud} }}$de la matriz de Cabibbo–Kobayashi–Maskawa . ^{[ 12 ]}

Se han utilizado al menos tres técnicas para medir la vida media de los neutrones libres. Estas son el método del haz, el método de la botella y las trampas magnéticas. ^{[ 3 ]} El método del haz utiliza un haz de neutrones en alto vacío. Cuando se detectan protones y electrones en coincidencia , se cuenta un evento de desintegración.

En el método de la botella, los neutrones ultrafríos se almacenan en una cámara de material durante un tiempo determinado, tras lo cual los neutrones restantes se cuentan mediante un detector de neutrones.

El atrapamiento magnético se realiza de forma similar al método de la botella, con la diferencia de que, en lugar de una cámara física, las trampas magnéticas aprovechan el momento dipolar magnético del neutrón para confinar los neutrones ultrafríos.

Aunque la vida media del neutrón se ha estudiado durante décadas, actualmente no existe consenso sobre su valor exacto, debido a los diferentes resultados obtenidos con dos métodos experimentales: el método de "botella" y el método de "haz". ^{[ 13 ]} Esto se ha denominado de diversas maneras: el enigma de la vida media del neutrón, ^{[ 14 ]} el problema de la vida media del neutrón, ^{[ 3 ]} o la anomalía de la vida media del neutrón. ^{[ 15 ]}

El enigma de la vida media del neutrón se resolvió tras el perfeccionamiento de los experimentos con neutrones ultrafríos. ^{[ 16 ]} Los márgenes de error de los dos métodos se superponían anteriormente, pero el perfeccionamiento de la técnica no ha logrado demostrar la convergencia a un único valor. ^{[ 14 ] [ 17 ] [ 18 ] [ 19 ]} La diferencia en los valores medios de vida media obtenidos hasta 2014 era de aproximadamente 9  s. ^{[ 17 ]} Además, un cálculo de QCD en la red de 2018 del valor de la vida media no fue lo suficientemente preciso como para respaldar uno sobre el otro. ^{[ 20 ]}

Para dar un ejemplo concreto de la discrepancia para dos experimentos específicos, en 2013 un experimento con método de haz encontró una vida útil de${\displaystyle \ \tau _{n}=887.7\pm 1.2_{\mathsf {stat}}\ \pm {1.8}_{\mathsf {syst}}\ {\mathsf {s}}~.}$^{[ 21 ]} En 2021, un experimento con el método de la botella encontró una vida útil de${\displaystyle \ \tau _{n}=877.75\ \pm 0.28_{\mathsf {stat}}{\ }_{-0.16}^{+0.22}{}_{\mathsf {syst}}\ {\mathsf {s}}~.}$^{[ 22 ] [ 23 ]}

Además, también existe una discrepancia de 3,9 desviaciones estándar entre los resultados de las mediciones con almacenamiento en trampas de material y magnéticas. ^{[ 24 ]}