Nucleón

En química y física, un nucleón es un protón o un neutrón, considerado en su papel como componente de un núcleo atómico. El número de nucleones en un núcleo define el número de masa del átomo (número de nucleones).

Hasta la década de 1960, se pensaba que los nucleones eran partículas elementales, no compuestas de partes más pequeñas. Ahora se sabe que son partículas compuestas, formadas por tres quarks unidos por la interacción fuerte. La interacción entre dos o más nucleones se denomina interacción entre nucleones o fuerza nuclear, que también es causada en última instancia por la interacción fuerte. (Antes del descubrimiento de los quarks, el término "interacción fuerte" se refería solo a las interacciones entre nucleones).

Los nucleones se encuentran en el límite donde se superponen la física de partículas y la física nuclear. La física de partículas, particularmente la cromodinámica cuántica, proporciona las ecuaciones fundamentales que describen las propiedades de los quarks y de la interacción fuerte. Estas ecuaciones describen cuantitativamente cómo los quarks pueden unirse en protones y neutrones (y todos los demás hadrones). Sin embargo, cuando se ensamblan múltiples nucleones en un núcleo atómico (núclido), estas ecuaciones fundamentales se vuelven demasiado difíciles de resolver directamente (ver QCD de celosía). En cambio, los nucleidos se estudian dentro de la física nuclear, que estudia los nucleones y sus interacciones mediante aproximaciones y modelos, como el modelo de capa nuclear. Estos modelos pueden describir con éxito las propiedades de los nucleidos, como por ejemplo, si un nucleido en particular sufre o no una desintegración radiactiva.

El protón y el neutrón están en un esquema de categorías siendo a la vez fermiones, hadrones y bariones. El protón lleva una carga neta positiva y el neutrón lleva una carga neta cero; la masa del protón es solo un 0,13% menor que la del neutrón. Por lo tanto, pueden verse como dos estados del mismo nucleón y juntos forman un doblete de isospín (I =1/2). En el espacio isospín, los neutrones se pueden transformar en protones y viceversa mediante simetrías SU(2). Estos nucleones son igualmente afectados por la interacción fuerte, que es invariable bajo rotación en el espacio isospín. Según el teorema de Noether, el isospin se conserva con respecto a la interacción fuerte.

Visión de conjunto

Propiedades

Los protones y los neutrones son más conocidos por su papel como nucleones, es decir, como componentes de los núcleos atómicos, pero también existen como partículas libres. Los neutrones libres son inestables, con una vida media de alrededor de 13 minutos, pero tienen aplicaciones importantes (ver radiación de neutrones y dispersión de neutrones). Los protones que no están unidos a otros nucleones son los núcleos de los átomos de hidrógeno cuando están unidos a un electrón o, si no están unidos a nada, son iones o rayos cósmicos.

Tanto el protón como el neutrón son partículas compuestas, lo que significa que cada una está compuesta de partes más pequeñas, a saber, tres quarks cada una; aunque alguna vez se pensó que lo era, tampoco lo es una partícula elemental. Un protón se compone de dos quarks arriba y un quark abajo, mientras que el neutrón tiene un quark arriba y dos quarks abajo. Los quarks se mantienen unidos por la fuerza fuerte, o de manera equivalente, por los gluones, que median la fuerza fuerte al nivel de los quarks.

Un quark up tiene carga eléctrica ++2/3 e, y un quark down tiene carga −+1/3 e, por lo que las cargas eléctricas sumadas del protón y el neutrón son + e y 0, respectivamente. Así, el neutrón tiene carga 0 (cero), y por lo tanto es eléctricamente neutro; de hecho, el término "neutrón" proviene del hecho de que un neutrón es eléctricamente neutro.

Las masas del protón y el neutrón son similares: para el protón es1,6726 × 10 kg (938,27 MeV/ c), mientras que para el neutrón es1,6749 × 10 kg (939,57 MeV/ c); el neutrón es aproximadamente un 0,13% más pesado. La similitud en la masa se puede explicar aproximadamente por la ligera diferencia en las masas de los quarks up y down que componen los nucleones. Sin embargo, una descripción detallada sigue siendo un problema sin resolver en la física de partículas.

El espín del nucleón es1/2, lo que significa que son fermiones y, como los electrones, están sujetos al principio de exclusión de Pauli: no más de un nucleón, por ejemplo, en un núcleo atómico, puede ocupar el mismo estado cuántico.

Los números cuánticos de isospín y espín del nucleón tienen dos estados cada uno, lo que da como resultado cuatro combinaciones en total. Una partícula alfa está compuesta por cuatro nucleones que ocupan las cuatro combinaciones, es decir, tiene dos protones (que tienen espín opuesto) y dos neutrones (que también tienen espín opuesto), y su espín nuclear neto es cero. En núcleos más grandes, los nucleones constituyentes, por exclusión de Pauli, se ven obligados a tener un movimiento relativo, lo que también puede contribuir al espín nuclear a través del número cuántico orbital. Se distribuyen en capas nucleares análogas a las capas de electrones conocidas por la química.

El momento magnético de un protón, denotado μ _p, es2.79 μ _N (donde μ _N representa la unidad de medida a escala atómica llamada magnetón nuclear). El momento magnético de un neutrón es μ _n =−1,91 μ _norte. Estos parámetros también son importantes en la exploración NMR / MRI.

Estabilidad

Un neutrón en estado libre es una partícula inestable, con una vida media de unos diez minutos. sufreβdesintegración (un tipo de desintegración radiactiva) al convertirse en un protón mientras emite un electrón y un antineutrino electrónico. (Consulte el artículo de Neutrones para obtener más información sobre la descomposición de los neutrones). Se cree que un protón en sí mismo es estable, o al menos su tiempo de vida es demasiado largo para medirlo. Esta es una discusión importante en la física de partículas (ver Desintegración de protones).

Dentro de un núcleo, por otro lado, los protones y neutrones combinados (nucleones) pueden ser estables o inestables dependiendo del nucleido o especie nuclear. Dentro de algunos nucleidos, un neutrón puede convertirse en un protón (produciendo otras partículas) como se describe arriba; lo contrario puede suceder dentro de otros nucleidos, donde un protón se convierte en un neutrón (produciendo otras partículas) a través deβdecaimiento o captura de electrones. Y dentro de otros nucleidos, tanto los protones como los neutrones son estables y no cambian de forma.

Antinucleones

Ambos nucleones tienen antipartículas correspondientes: el antiprotón y el antineutrón, que tienen la misma masa y carga opuesta que el protón y el neutrón respectivamente, e interactúan de la misma manera. (En general, se cree que esto es exactamente cierto, debido a la simetría CPT. Si hay una diferencia, es demasiado pequeña para medirla en todos los experimentos hasta la fecha). En particular, los antinucleones pueden unirse en un "antinúcleo". Hasta ahora, los científicos han creado núcleos de antideuterio y antihelio-3.

Tablas de propiedades detalladas

Nucleones

^a Las masas del protón y del neutrón se conocen con mucha mayor precisión en daltons (Da) que en MeV/ c debido a la forma en que se definen. El factor de conversión utilizado es 1 Da = 931.494 028 (23) MeV/ c.

^b Al menos 10años. Véase decaimiento de protones.

^c Para neutrones libres; en la mayoría de los núcleos comunes, los neutrones son estables.

Se supone que las masas de sus antipartículas son idénticas y ningún experimento ha refutado esto hasta la fecha. Los experimentos actuales muestran que cualquier diferencia relativa entre las masas del protón y el antiprotón debe ser menor que2 × 10 y la diferencia entre las masas del neutrón y del antineutrón es del orden de(9 ± 6) × 10 MeV/ c.

Prueba	Fórmula	resultado PDG
Masa	{displaystyle {frac {|m_{rm {p}}-m_{bar {rm {p}}}|}{m_{rm {p}}}}}	<2 × 10
Relación carga-masa	{displaystyle {frac {left|{frac {q_{bar {rm {p}}}}{m_{bar {rm {p}}}}}right|}{left({frac {q_{rm {p}}}{m_{rm {p}}}}right)}}}	0.999 999 999 91 (9)
Relación carga-masa-masa	{displaystyle {frac {left|{frac {q_{bar {rm {p}}}}{m_{bar {rm {p}}}}}right|-{frac { q_{rm {p}}}{m_{rm {p}}}}}{frac {q_{rm {p}}}{m_{rm {p}}}}}}	(−9 ± 9) × 10
Cargo	{displaystyle {frac {left|q_{rm {p}}+q_{bar {rm {p}}}right|}{e}}}	<2 × 10
carga de electrones	{displaystyle {frac {left|q_{rm {p}}+q_{rm {e}}right|}{e}}}	<1 × 10
Momento magnético	{displaystyle {frac {left|mu_{rm {p}}+mu_{bar {p}}right|}{mu_{rm {p}}}}}	(−0,1 ± 2,1) × 10

Resonancias de nucleones

Las resonancias de nucleones son estados excitados de partículas de nucleones, a menudo correspondientes a uno de los quarks que tiene un estado de giro invertido, o con un momento angular orbital diferente cuando la partícula se desintegra. En esta tabla solo se incluyen las resonancias con una calificación de 3 o 4 estrellas en el Grupo de datos de partículas (PDG). Debido a su vida útil extraordinariamente corta, muchas propiedades de estas partículas todavía están bajo investigación.

El formato del símbolo es N(m) L _IJ, donde m es la masa aproximada de la partícula, L es el momento angular orbital (en la notación espectroscópica) del par nucleón-mesón, producido cuando decae, e I y J son el isospín y el momento angular total de la partícula, respectivamente. Dado que los nucleones se definen como teniendo1/2isospin, el primer número siempre será 1 y el segundo número siempre será impar. Cuando se habla de resonancias de nucleones, a veces se omite la N y se invierte el orden, en la forma L _IJ (m); por ejemplo, un protón se puede denotar como "N(939) S ₁₁ " o "S ₁₁ (939)".

La siguiente tabla enumera solo la resonancia base; cada entrada individual representa 4 bariones: 2 partículas de resonancia de nucleones y sus 2 antipartículas. Cada resonancia existe en una forma con carga eléctrica positiva (Q), con una composición de quarks detutudcomo el protón, y una forma neutra, con una composición de quarks detuddcomo el neutrón, así como las correspondientes antipartículas con composiciones antiquark detutudytuddrespectivamente. Dado que no contienen quarks extraño, encantador, inferior o superior, estas partículas no poseen extrañeza, etc.

La tabla solo enumera las resonancias con un isospin =1/2. Para resonancias con isospin =3/2, véase el artículo sobre los bariones Delta.

† El nucleón P ₁₁ (939) representa el estado excitado de un protón o neutrón normal. Tal partícula puede ser estable cuando se encuentra en un núcleo atómico, por ejemplo, en litio-6.

Clasificación del modelo de quarks

En el modelo de quark con sabor SU(2), los dos nucleones son parte del doblete del estado fundamental. El protón tiene un contenido de quarks de uud y el neutrón de udd. En el sabor SU (3), son parte del octeto de estado fundamental (8) de spin-1/2bariones, conocida como la Vía Óctuple. Los otros miembros de este octeto son el extraño isotriplete de los hiperones.Σ,Σ,Σ, laΛy el extraño isodobleteΞ,Ξ. Uno puede extender este multiplete en el sabor SU(4) (con la inclusión del quark charm) al estado fundamental 20 -plet, o al sabor SU(6) (con la inclusión de los quarks top y bottom) al suelo -estado 56 -plet.

El artículo sobre isospin proporciona una expresión explícita para las funciones de onda de nucleón en términos de estados propios de sabor de quark.

Modelos

Aunque se sabe que el nucleón está hecho de tres quarks, a partir de 2006, no se sabe cómo resolver las ecuaciones de movimiento para la cromodinámica cuántica. Así, el estudio de las propiedades de baja energía del nucleón se realiza mediante modelos. El único enfoque de primeros principios disponible es intentar resolver las ecuaciones de QCD numéricamente, utilizando la red QCD. Esto requiere algoritmos complicados y superordenadores muy potentes. Sin embargo, también existen varios modelos analíticos:

Modelos Skyrmion

El skyrmion modela el nucleón como un solitón topológico en un campo de piones SU(2) no lineal. La estabilidad topológica del skyrmion se interpreta como la conservación del número bariónico, es decir, la no desintegración del nucleón. La densidad numérica del devanado topológico local se identifica con la densidad numérica bariónica local del nucleón. Con el campo vectorial pion isospin orientado en la forma de un espacio de erizo, el modelo se puede resolver fácilmente y, por lo tanto, a veces se lo denomina modelo de erizo. El modelo hedgehog es capaz de predecir parámetros de baja energía, como la masa del nucleón, el radio y la constante de acoplamiento axial, hasta aproximadamente el 30 % de los valores experimentales.

Modelo de bolsa MIT

El modelo de bolsa del MIT limita a los quarks y gluones que interactúan a través de la cromodinámica cuántica a una región del espacio determinada al equilibrar la presión ejercida por los quarks y gluones contra una presión hipotética ejercida por el vacío en todos los campos cuánticos coloreados. La aproximación más simple al modelo confina tres quarks que no interactúan en una cavidad esférica, con la condición límite de que la corriente del vector de quark se desvanece en el límite. El tratamiento de no interacción de los quarks se justifica apelando a la idea de libertad asintótica, mientras que la condición de frontera dura se justifica por el confinamiento de los quarks.

Matemáticamente, el modelo se parece vagamente al de una cavidad de radar, con soluciones a la ecuación de Dirac que reemplazan a las soluciones de las ecuaciones de Maxwell, y la condición límite de la corriente del vector que se desvanece representa las paredes metálicas conductoras de la cavidad del radar. Si el radio de la bolsa se establece en el radio del nucleón, el modelo de la bolsa predice una masa de nucleón que está dentro del 30 % de la masa real.

Aunque el modelo básico de la bolsa no proporciona una interacción mediada por piones, describe de forma excelente las fuerzas nucleón-nucleón a través del mecanismo del canal s de la bolsa de 6 quarks utilizando la matriz P.

Modelo de bolsa quiral

El modelo de bolsa quiral fusiona el modelo de bolsa MIT y el modelo skyrmion. En este modelo, se perfora un agujero en el medio del skyrmion y se reemplaza con un modelo de bolsa. La condición límite la proporciona el requisito de continuidad de la corriente vectorial axial a través del límite de la bolsa.

Muy curiosamente, la parte que falta del número de devanado topológico (el número bariónico) del agujero perforado en el skyrmion está exactamente compuesta por el valor esperado de vacío distinto de cero (o asimetría espectral) de los campos de quarks dentro de la bolsa. A partir de 2017, esta notable compensación entre la topología y el espectro de un operador no tiene ningún fundamento ni explicación en la teoría matemática de los espacios de Hilbert y su relación con la geometría.

Varias otras propiedades de la bolsa quiral son notables: proporciona un mejor ajuste a las propiedades del nucleón de baja energía, dentro del 5-10%, y estas son casi completamente independientes del radio de la bolsa quiral, siempre que el radio sea menor. que el radio del nucleón. Esta independencia del radio se conoce como el principio del gato de Cheshire, después de que el gato de Cheshire de Lewis Carroll se desvaneciera hasta quedarse solo con su sonrisa. Se espera que una solución de primeros principios de las ecuaciones de QCD demuestre una dualidad similar de descripciones quark-pion.