Почему время жизни свободного нейтрона — один из главных вопросов физики?

На первый взгляд может показаться, что невзрачному нейтрону нечем нас удивить. Это простая субатомная частица существует во многих атомных ядрах и, по сути дела, выполняет роль клея для протонов. Но оказывается, нейтрон тоже очень интересен. И одна из основных проблем — это срок его жизни в свободном состоянии вне атомного ядра. И от этого значения зависит очень многое, хотя может показаться, что это совсем не так.

Почему важно сколько живёт свободный нейтрон?

Оказывается, когда формировалось вещество в ранней Вселенной, когда всё это только становилось и вокруг был непонятный бурлящий суп из самых разных частиц, время жизни нейтрона в свободном состоянии напрямую определяло разнообразие материи, образующейся в тот момент.

В одном случае, если бы нейтрон жил такое количество времени, было бы больше водорода. В другом случае, поскольку появляются нейтроны, у нас бы уже формировались атомы гелия. Это фундаментальным образом сказалось бы и на природе вещества. А это, в свою очередь, ставит под вопрос наше правильное понимание физики.

Большинство источников обозначает, что период полураспада нейтрона — это 10 минут, а время жизни свободного нейтрона — это 15 минут. И вот тут у нас возникает некоторое противоречие. Когда мы смотрим на схему устройства нейтрона и протона, то мы видим, что они практически одинаковые. По крайней мере, на первый взгляд. И само собой возникает непонимание, почему одна частица может существовать долгие годы, а другая частица существует всего около 10 минут.

Почему протон стабилен, а нейтрон — нет?

Вся хитрость в том, что схемы их устройства только кажутся одинаковыми. Посмотрите внимательно. На самом деле, одна схема представляет собой комбинацию кварков одного типа, а другая схема представляет комбинацию кварков другого типа. Так, протон у нас состоит из двух верхних и одного нижнего кварка, а нейтрон состоит из одного верхнего и двух нижних кварков.

Эта разница определяет, каким образом будут происходить процессы. По сути, для того, чтобы нейтрон превратился в протон (то есть произошёл распад нейтрона), ему нужно, чтобы один кварк превратился в другой кварк. Опять же, если мы обратимся к той схеме, которую уже несколько раз видели, мы выясним, что нужно, чтобы один нижний кварк превратился в верхний кварк. Хорошо, а как это может работать?

Здесь на помощь приходит ещё одна сила. Это слабое взаимодействие. Оно для того и нужно.

Без слабого взаимодействия одна материя или, лучше говорить вещество, не могло бы превращаться в другое вещество. Именно благодаря слабому взаимодействию нейтроны превращаются в протоны. Именно благодаря слабому взаимодействию, в дальнейшем эти системы могут каким-то образом функционировать и соединяться друг с другом.

Как работает слабое взаимодействие?

Процесс объясняется посредством W бозонов. На удивление этот процесс, очень сильно похож на другие процессы в физике. Нам нужно, чтобы нижний кварк испустил этот бозон и чтобы он превратился в другие частицы или выделился в виде свободной энергии, а сам нижний кварк при этом превратится в верхний кварк.

По сути дела, стабильность протона объясняется силой его конфигурации. Конфигурация кварков позволяет при таком сочетании быть устойчивой. В одном сочетании кварков у нас получается, что частица более чем стойкая, а в другом сочетании кварков у нас получается, что частица совсем не стойкая. Вот так всё это и работает.

Нейтрон чуточку тяжелее, чем протон. Внутренняя часть нейтрона тяжелее в сумме, чем частицы протона. Поэтому нейтрону выгодно, чтобы одна из его частиц развалилась. Протону это энергетически невыгодно. По сути, мы здесь опять-таки применяем ту самую логику, которая у нас существует во всей физики. Логика энергетической выгоды, принцип наименьшего действия и принцип, который описывает процесс перехода энергии из одной формы в другую.

Почему нейтрон в атоме не распадается?

Следующий разумный вопрос, который вы можете задать — это: «А почему внутри атомного ядра нейтроны не разваливаются? Почему пока нейтроны связаны с протонами и всё это представляет собой атомное ядро? Мы не наблюдаем каких-то интересных аномалий».

Ну здесь всё опять связано с той самой конструкцией, про которую мы говорили. Пока нейтроны равномерно распределены внутри ядра атома, они находятся в связанном состоянии. А связанное состояние — это не просто так. Это не то, что мы шариков насыпали в корзинку. Это совсем другая история. Связанное состояние — это постоянный энергетический обмен виртуальными частицами или частицами обычными между составляющими. И пока у нас есть рядом протоны, пока работает сильное взаимодействие между ними, это взаимодействие многом удерживают и сами нейтроны.

Если всё так просто, то почему же тогда физика не может однозначно ответить, сколько времени проживёт нейтрон и как вообще с этим работать?

Всё дело в том, что модели есть, а вот время существования свободного нейтрона измерить практически нереально. Если измерять время жизни нейтрона, выловленного в общем потоке, то это будет 888 секунд. А если измерять время жизни нейтрона, пойманного в ловушку, то это будет 879 секунд. В одном случае для измерения используется специальное устройство, именуемое ловушкой и представляющее собой систему для удержания нейтрона. В другом — фиксируются рефлексы от распада нейтрона в потоке частиц.

Разница в измерениях имеет пока только гипотетическое объяснение. Но само её существование поднимает множество сложных вопросов от правильного понимания природы материи физикой до незнания процесса формирования изначального вещества в космосе.