Perché un neutrone libero decade?
Un neutrone libero (cioè non legato in un nucleo) è instabile perché ha una massa leggermente maggiore di quella del protone. Questa differenza (circa 1,3 MeV) rende possibile la sua trasformazione in un protone accompagnata dall’emissione di altre particelle.
Come accade?
Il neutrone è formato da tre quark, un quark up e due quark down:
$$ n = udd $$
Il protone invece è composto da due quark up e un quark down:
$$ p = uud $$
La trasformazione consiste dunque nel cambiamento di un quark down in un quark up.
Attraverso l’interazione debole, un quark down può cambiare sapore, diventando up, ed emettere un bosone virtuale $W^-$, che decade quasi istantaneamente in un elettrone ($e^-$) e un antineutrino elettronico ($\bar{\nu}_e$):
$$ n \;\;\longrightarrow\;\; p \;+\; e^- \;+\; \bar{\nu}_e $$
Si tratta di un classico decadimento beta ($ β^- $), la manifestazione diretta dell’interazione debole.
Ora nella particella composta ci sono due quark up e un quark down, in questo modo il neutrone si è trasformato in un protone.
Poiché la massa del neutrone è superiore a quella dei prodotti finali, il processo è energeticamente consentito.
La differenza di massa si traduce in energia cinetica, distribuita tra il protone, l’elettrone e l’antineutrino, in modo che la conservazione dell’energia sia perfettamente rispettata.
Nota. Un neutrone libero vive mediamente circa 880 secondi (circa 15 minuti). Questo tempo relativamente lungo riflette la debolezza dell’interazione debole: la probabilità che un quark down si trasformi in up in un dato intervallo di tempo è molto piccola.
All’interno dei nuclei atomici la situazione è diversa: un neutrone può rimanere stabile se la sua presenza riduce l’energia totale del nucleo (come nei nuclei stabili).
Altrimenti, può decadere anche lì, dando luogo al decadimento beta.
Anche un protone libero può trasformarsi in neutrone?
No, un protone libero non può trasformarsi spontaneamente in un neutrone, e il motivo sta proprio nel bilancio energetico.
Il neutrone è più pesante del protone. Quindi, se un protone volesse trasformarsi in un neutrone, dovrebbe in qualche modo “procurarsi” quell’energia extra.
Ma un decadimento spontaneo non può avvenire se i prodotti finali hanno massa totale maggiore di quella iniziale.
Per questo il protone libero è stabile: non c’è nessuna via di decadimento consentita dall’energia.
Nota. Solo in certe condizioni particolari un protone può trasformarsi in un neutrone. Ad esempio, In alcuni nuclei instabili, un protone può catturare un elettrone orbitale: $$ p + e^- \;\longrightarrow\; n + \nu_e $$ Questo avviene solo se il nucleo risultante ha energia più bassa, cioè se il bilancio energetico torna a favore della reazione. Un protone può decadere in neutrone dentro un nucleo anche tramite decadimento: $ \beta+ $ $$ p \;\;\longrightarrow\;\; n + e^+ + \nu_e $$ Quest'ultimo è raro e meno comune negli atomi leggeri.
E così via.
