Что не так с нейтроном? Про 15 минут, которые решают судьбу Вселенной

Ядро атома состоит из протонов и нейтронов. При этом если протон широко известен своей способностью существовать почти вечно (почему «почти» я как-то уже рассказывал на Хабре), то нейтрон диаметрально противоположен по свойствам. Эта нейтральная частица без электрического заряда наоборот «разваливается» практически сразу, как только окажется вне связанного состояния внутри ядра.

И, казалось бы, тут нет ничего сильно удивительного. Такова природа нейтрона и можно принять это как факт. Вот только время жизни этой частицы напрямую влияет на процессы формирования вещества в ранней Вселенной. Живи свободный нейтрон чуть дольше и во Вселенной стало бы больше гелия, а распадайся раньше — больше было бы водорода. Само собой, что соотношение меняет и принцип дальнейшего образования вещества.

Мы полагаем, что этот вопрос детально проработан физикой. Но есть тут интересный парадокс — время жизни нейтрона никто не может измерить точно и при разных методиках измерения получается разный результат. Значения отличаются не так сильно. Это всего лишь 9 секунд.

Однако, и этого хватит, чтобы поставить под вопрос всю логику, которую используют теории, сформировавшиеся вокруг этих значений.

Так как правильно и откуда различия? Тут нужно начать с базовых знаний.

Про нейтрон и его специфику

Нейтрон — это не бесполезная частица, как многие полагают. Нейтроны скрепляют ядро и делают его устойчивым, но увы, не могут стать устойчивыми сами. Не имея заряда, они вступают в сильное ядерное взаимодействие, которое действует только на очень малых расстояниях и притягивает как протоны, так и другие нейтроны. Но сами они не отталкивают соседние частицы.

В атомном ядре нейтрон действительно кажется вполне стабильным — миллиарды лет ничего с ним не происходит, если, конечно стабилен и сам атом (изотопы бывают самые разные). Но стоит нейтрону оказаться в свободном состоянии и в среднем через 14,7 минут нейтрон превращается в протон, электрон и антинейтрино.

Период полураспада нейтрона составляет примерно 10 минут, что соответствует характерному времени жизни около 15 минут. И да, время жизни чаще всего не равно времени полураспада. Период полураспада — это время, за которое распадается половина всех нейтронов в пробе, а время жизни — средняя продолжительность существования одной частицы до распада.

Процесс распада нейтрона и слабое взаимодействие

Процесс распада нейтрона называют бета-распадом. Порой этот процесс называют превращением нейтрона в протон и это не случайно.

Но как так получается, что протон невероятно стабилен, а нейтрон, который почти такой же, разваливается на части, когда он один? Всё это наука объясняет сочетанием кварков.

Нейтрон состоит из трёх кварков — одного верхнего и двух нижних. Протон — из двух верхних и одного нижнего кварков.

Чтобы стать стабильным протоном, нейтрону нужно, чтобы один его нижний кварк превратился в верхний кварк. Но кварки не могут просто взять и поменяться или бы и протон был нестабилен. Это требует вмешательства слабого ядерного взаимодействия — одной из четырёх фундаментальных сил природы.

Слабое взаимодействие довольно интересно. Без него не было бы ядерного синтеза в звёздах, радиоактивных распадов и даже разнообразия химических элементов. По сути, слабое взаимодействие — это квантовый механизм, через который Вселенная умеет превращать материю из одного состояния в другое.

Слабое взаимодействие работает за счёт обмена особыми частицами-переносчиками — W-бозонами (W тут от слова weak). Когда нейтрон распадается, один из его двух нижних кварков испускает W⁻- бозон и превращается в верхний кварк. Нейтрон становится протоном. Сам W⁻- бозон при этом не живёт долго — он тут же распадается на электрон и антинейтрино. Это мы и видим на традиционных схемах.

По сути логично сказать, что нейтрон распадается из-за нестойкости его нижнего кварка.

Почему тогда внутри протона кварки не распадаются, хотя и там есть нижний кварк?

И, конечно же, тут возникает интересный вопрос. Пусть протон стабилен в такой конфигурации кварков, но почему в нём, как и в нейтроне, не распадаются кварки? Там есть нижний кварк и путь тогда всё это бы превратилось в какую-то странную конфигурацию только из верхних кварков. Или протон стал бы нейтроном обратно. Да и конструкции этих частиц неприлично похожи.

Наука говорит, что внутри протона в обычных условиях кварки не превращаются друг в друга, потому что такой процесс нарушил бы закон сохранения энергии. Если один верхний кварк стал бы нижним, получилась бы более тяжёлая и нестабильная частица (дельта-барион), а распад возможен только в сторону меньшей энергии. В нейтроне всё наоборот — его масса чуть больше, чем у протона, поэтому превращение одного нижнего кварка в верхний кварк энергетически выгодно, и слабое взаимодействие позволяет распад.

Единственный же нижний кварк в протоне не превращается в верхний, потому что для такого превращения нужна дополнительная энергия — масса частицы, которая получилась бы после такого распада, была бы меньше, чем сумма исходных частиц, то есть нарушился бы закон сохранения энергии (впрочем, некоторые и его считают не то, чтобы реальным).

В нейтроне ситуация обратная — его нижний кварк сидит на более высокой энергетической ступеньке, и превращение в верхний кварк приводит к снижению энергии системы, высвобождая её в виде электрона и антинейтрино. В протоне такого энергетического выигрыша нет, поэтому слабое взаимодействие, хотя и способно менять тип кварков, просто не может сделать это внутри стабильного протона.

Вот вроде бы и описание хорошее и видится исчерпывающим. Откуда тогда парадоксы и сложности? Но физики знают «как именно» нейтрон распадается, но почему именно с такой скоростью — вопрос, который всё ещё не имеет ответа.

Продолжительность жизни нейтрона определяется вероятностью того, что слабое взаимодействие произойдёт за определённое время.

Так что там со временем жизни и почему это так важно?

Ну для начала — внутри ядра атома нейтрон более чем стабилен. Если бы он попытался распасться, получившийся протон изменил бы баланс зарядов и энергии, и ядро стало бы нестабильным. То есть внутри ядра нейтрону энергетически невыгодно разваливаться. Законы сохранения просто не позволяют ему сделать это. Поэтому, например, в углероде или железе нейтроны живут миллиарды лет, пока атом не разрушится другими путями.

В свободном состоянии ученые обозначают для нейтрона две характерные цифры. Сама теория предсказывает одно значение, но эксперименты не сходятся идеально. Если измерять нейтроны, пойманные в ловушке, выходит около 879 секунд, если считать нейтроны в потоке — это примерно 888 секунд.

Эти 9 секунд разницы кажутся мелочью, но в физике частиц это как если бы ты нашёл расхождение в возрасте Вселенной на миллион лет.

Некоторые физики даже шутят (а другие не шутят), что, возможно, часть нейтронов исчезает в тёмную материю. И это может быть намёком на новую физику. Это не просто странность ядерной физики. От его точного времени распада зависит вся химия ранней Вселенной. Через несколько минут после Большого взрыва Вселенная остыла настолько, что протоны и нейтроны начали объединяться в первые атомные ядра. И, как уже отмечалось в начале, если бы нейтрон жил хоть немного дольше во Вселенной образовалось бы больше гелия и меньше водорода.

Если бы он жил меньше, то наоборот. То есть всё, что мы знаем о составе звёзд и планет, зависит от этих «15 минут» жизни нейтрона. Потому нейтрон, безусловно, остаётся одной из самых загадочных частиц, даже несмотря на кажущуюся простоту. И точно рано говорить, что мы его изучили.

⚡ Само собой, предлагаю посмотреть моё видео по теме и зайти в гости на Telegram проекта.

Источник: habr.com