Ядро атома состоит из протонов и нейтронов. Если протон обладает практически неистощимой стабильностью (о причинах “почти” вечного существования я уже писал на SE7ENе), то нейтрон, напротив, вне ядра практически мгновенно распадается.
На первый взгляд это естественно и не вызывает вопросов. Однако продолжительность жизни свободного нейтрона напрямую определяет, сколько водорода и гелия родилось в первые минуты после Большого взрыва. Если бы нейтрон жил немного дольше, образовалось бы больше гелия; если короче — господствовал бы водород. Такая невзрачная разница в секундах меняет ход формирования вещества.
Тем не менее определить точное время жизни нейтрона до сих пор не удаётся: разные методы дают расходящиеся результаты — в пределах нескольких секунд.
Откуда же берутся эти колебания и почему они так важны? Для начала разберёмся с фундаментальными понятиями.
О нейтроне и его роли в ядре
Нейтрон — нейтральная частица без электрического заряда. Он связывает протоны в ядре за счёт сильного взаимодействия на очень малых расстояниях, не испытывая при этом кулоновского отталкивания. Благодаря этому атомные ядра приобретают прочность и устойчивость.
В составе стабильных изотопов нейтрон живёт сколь угодно долго, но стоит ему оказаться в свободном состоянии — и уже через ≈14,7 минуты он превращается в протон, электрон и антинейтрино.
Период полураспада нейтрона примерно 10 минут (что равно среднему времени жизни около 15 минут). Важно понимать, что полураспад и средняя продолжительность существования частицы — разные понятия: первый говорит о времени, за которое распадается половина образца, второе — о средней долговечности одной частицы.
Механизм бета-распада и слабое взаимодействие
Этот процесс известен как бета-распад. Он обусловлен слабым ядерным взаимодействием — одной из четырёх фундаментальных сил природы.
Нейтрон состоит из трёх кварков: одного верхнего (u) и двух нижних (d). Протон, в свою очередь, включает два верхних и один нижний кварк.
Для превращения нейтрона в протон один из нижних кварков должен превратиться в верхний. Это возможно только через обмен W-бозоном, который обуславливает слабое взаимодействие.
Когда нейтрон распадается, один из его нижних кварков испускает W⁻-бозон и становится верхним. Нейтрон переходит в протон, а W⁻ мгновенно распадается на электрон и антинейтрино — именно это мы фиксируем на экспериментах.
Почему кварки в протоне остаются неизменными?
В протоне тоже есть нижний кварк, но в обычных условиях он не превращается в верхний. Любая трансформация d→u в протоне потребовала бы поступления дополнительной энергии, ведь возник бы более тяжёлый резонанс (дельта-барион), а переход возможен лишь в сторону снижения энергии.
В нейтроне ситуация обратная: его масса чуть больше, чем у протона, поэтому переход d→u приводит к снижению энергии системы и выделению её в виде электрона и антинейтрино. В протоне же энергетических выгод нет, и слабое взаимодействие не способствует дестабилизации.
Хотя нам хорошо известно, как именно происходит распад, причина точной скорости этого процесса остаётся загадкой.
Вероятность распада нейтрона определяется величиной матричного элемента слабого взаимодействия и фазового пространства распада.
Значение времени жизни нейтрона
Внутри ядра нейтрон стабилен: при попытке распада изменился бы заряд и нарушился бы баланс энергии, делая ядро неустойчивым. Поэтому в составах стабильных изотопов нейтроны «живут» миллиарды лет.
В свободном состоянии до сих пор нет единого результата: в «ловушках» фиксируют около 879 с, в «пучках» — примерно 888 с.
Разница в 9 секунд в физике элементарных частиц эквивалентна расхождению в миллионах лет при оценке возраста Вселенной.
Некоторые исследователи даже предполагают (и это не шутка), что часть нейтронов уходит в тёмную материю, что может указать на новую физику.
Точные параметры распада нейтрона задают начальные условия нуклеосинтеза после Большого взрыва. Если бы нейтрон жил чуть дольше, образовалось больше гелия и меньше водорода; если короче — наоборот. Таким образом, химический состав звёзд и планет зависит от этих «15 минут» жизни нейтрона.
Несмотря на кажущуюся простоту, нейтрон остаётся одной из самых таинственных частиц. Исследования продолжаются.
⚡ Подробнее в видео и в нашем Telegram-канале.
