Částicové Zoo – neutrony

Neutrony tvoří spolu s protony základní stavební kameny hmoty. Stejně jako protony, jsou i neutrony tvořeny třemi kvarky. Umí ale i překvapit. Například tím, že nejsou stabilní, ale celkem rychle se rozpadají. 

Neutron je podobně jako proton komplikovaná částice s bohatým vnitřním životem. Je tvořen třemi hlavními kvarky s různými náboji (dvěma down a jedním up kvarkem) a celou řadou neustále vznikajících a zanikajících virtuálních kvarků. Interakci mezi nimi zajišťují pomocníci - gluony.

V našem pomyslném virtuálním Zoo tvoří neutron skupinka dvou antilop a jedné zebry v kvarkové ohradě, hned u vchodu. Antilopy představují jeho down-kvarky, zebra znázorňuje up-kvark.

Neutrony ve všeobecném vesmírném obraze

Na neutrony působí (stejně jako na protony) všechny čtyři vesmírné síly - gravitace, slabá a silná jaderná interakce a kupodivu také elektromagnetismus.

Gravitace působí na neutrony stejně jako na ostatní hmotu.

Podobně je tomu s elektromagnetickou sílou. Celkový náboj neutronu se skládá, stejně jako je tomu u protonu, z nábojů těchto jeho hlavních (valenčních) kvarků. Dva down kvarky s nábojem -1/3 a jeden up kvark s nábojem +2/3 tvoří celkový nulový elektrický náboj. 

Přesto, že je navenek elektricky neutrální, vlastní neutron má díky své vnitřní struktuře (třem kvarkům s elektrickým nábojem) určitý magnetický moment. Následkem celkově nulového elektrického náboje ale není přitahován nebo odpuzován  jinými, elektricky nabitými částicemi.

Silná jaderná interakce drží jeho kvarky pohromadě, další ze základních sil, slabá jaderná interakce, je pro změnu zodpovědná za další specifickou vlastnost neutronu – jeho rozpad.

Jepičí život neutronů

Fascinující vlastností našeho vesmíru je fakt, že jsou vlastnosti jeho hmoty a sil, v něm působících, přesně vyvážené.

Existence a stabilita atomových jader  v naší hmotě je například závislá na poměru hmotností, jaké mají proton a neutron. Kdyby byl tento poměr jiný, nejspíš bychom tu nebyli – a nemohli obdivovat ani vesmír, ani komplexitu jeho jevů. Výsledkem by byl vesmír s příliš mnoha neutrony a příliš malým množstvím vodíku, nebo s nedostatkem právě těch elementů, které jsou potřebné pro vznik života.  

Neutron je o něco málo hmotnější než proton. Podle údajů, získaných v experimentech a nově i v počítačové simulaci nejrychlejšího evropského superpočítače JUQUEEN ve výzkumném ústavu v německém Juelichu, se hmotnosti obou částic liší přibližně o 1,4 promile. Tato malá „nedokonalost“ způsobuje, že se volný neutron už po zhruba patnácti minutách rozpadá na proton, elektron a elektronové antineutrino. Proton, základní stavební kámen pro vodík (který je pro změnu zase základním chemickým elementem, ze kterého ve hvězdách vznikají všechny ostatní elementy) je naopak stabilní.

Neutrino a antineutrino jsou elementární částice ze skupiny leptonů. Neutrino vzniká při jaderných reakcích, které zahrnují beta rozpad. Má isospin s hodnotou 1/2, a patří proto mezi fermiony. Jeho hmotnost je ve srovnání s většinou elementárních částic malá, experimenty ale dokazují, že není nulová. Jeho elektrický náboj je nulový, nepůsobí na něj ani silná ani elektromagnetická interakce, ale jen slabá interakce a také gravitace. Neutrina téměř nereagují s okolním prostředím a je velmi obtížné je detekovat. Jde o stabilní částice – nepodléhají tedy žádnému samovolnému rozpadu.

Mezi hmotností samotného neutronu a hmotností nově vzniklých částic je malý rozdíl, který se přitom přemění na pohybovou energii.   

Děje se tak průměrně za 880 sekund – volný neutron tedy může ve vesmíru existovat jen slabou čtvrthodinu. Pokud se dnes volný neutron skutečně ve vašem okolí skutečně vyskytne, svého rozpadu se ale s největší pravděpodobností nedožije. Už během prvních zlomků vteřiny je nejspíše absorbován některých z okolních atomů. Pro dřívější vývoj vesmíru byl naopak rozpad neutronů důležitým jevem. Volné elektrony tvořily v jedné z prvních fází vesmíru velké procento tehdejší hmoty. Jejich rozpadem vnikaly volné protony a následně pak i plynný vodík.

Mimochodem – opačný jev, tedy vznik neutronů z protonu a elektronu, probíhá ve vesmíru dodnes. Uhádnete kde? (Odpověď najdete v diskuzi k blogu.)

Neutron, který je vázaný v atomovém jádru je stabilní.

Protony a neutrony se v jádrech atomů navzájem přitahují. Přitom má ale proton pozitivní náboj a neutron elektrický náboj nemá. Nebude to tedy elektromagnetismus, kdo má vliv na jejich vzájemnou přitažlivost.

 Vybavujete si naše částicové Zoo? Vzpomínáte na roli silné jaderné interakce, kterou v něm hrají ošetřovatelé zeber a antilop? Neustále převlékají sebe i zebry a antilopy. Předávají „barevný“ náboj mezi jednotlivými kvarky i sebou samými. Síla, která drží protony a neutrony v jádře atomu pohromadě, je zbytkovým projevem stejného jevu. Působí ale jen na malou vzdálenost – ovlivňuje jen přímé sousedství protonů a neutronů.

Interakce mezi protony a neutrony v atomových jádrech neprobíhá tak, jak bychom si to představovali díky svým zkušenostem z makrosvěta - pomocí výměny energie nebo výměnou informací. Svět mikročástic je divočejší.

Obě částice spolu v jádrech atomů reagují tak, že si mění své identity. Konkrétně probíhá tento proces tak, že se z up kvarku jedné částice stává díky vzájemné výměně down kvark, zatímco se u druhé částice mění down kvark na up kvark.  Celá proměna trvá jen velice krátkou dobu – typicky je to 10 ^-16 s.

Obě částice vlastně drží pohromadě jen proto, že se neumí rozhodnout, která je která.

Fyzikům tento elegantní výklad samozřejmě nestačí. Chtějí ho přesně spočítat a doložit. Zjistili, že výměna mezi protonem a neutronem probíhá díky částici nazývané „pion“ – pí mezon. Vzpomenete si na obrázek, ve kterém se velké množství (v minulém století nově objevených) částic dělilo na bosony a fermiony?

Náš pion se nachází v zeleném políčku. Je to tzv. „hadron“, částice, která je složená z kvarků. Obsahuje ale jen dva kusy, takže aby splňovala základní fyzikální potřebu a byla neutrální (z pohledu silné jaderné interakce musí mít tedy „bílou barvu“) musí se skládat z jednoho kvarku a jednoho antikvarku. Podle toho, které kvarky se na stavbě částice podílí, jsou pak tyto složené mezony pojmenovány různými jmény.

Na tomto místě nezbývá, než obdivovat úžasnou komplexnost našeho vesmíru, stejně jako kreativitu a důmyslnost fyziků, kteří tuto komplikovanou strukturu odhalují. Teorie tu totiž naráží na praxi a plně ji potvrzuje a vysvětluje.

Je to právě pion, částice složená z up kvarku a anti-down antikvarku, která způsobuje výměnu identity mezi protonem a neutronem.

Diagram znázorňuje procesy, které přeměnu neutronu na proton umožňují. Dá se interpretovat tak, že čas je nanesen vertikálně. Výchozí stav je tedy dole, konečný stav procesu v horní polovině schematu.

V levém dolním rohu vidíte proton (s up-up-down kvarky). Mají různé „barvy“, které složené dohromady spolu vytváří neutrální bílou. V protonu probíhá neustálá výměna barev mezi jednotlivými kvarky.

V bodě, který je znázorněn zelenou „1“ vzniká z vakua virtuální kvarkový pár „down-antidown“. Pokud najde vhodné podmínky, reaguje s jedním z up kvarků našeho výchozího protonu.

Up kvark se z protonu „odštěpí“ a spolu s antikvarkem oné virtuální (tedy jen na malou chvíli existující) částice vytvoří teď už reálnou částici pion. Zbylá polovina kdysi virtuálního páru pokračuje v existenci jako reálný down kvark a promění tím proton na neutron.

Antidown kvark anihiluje s jedním down kvarkem neutronu a zanechá tím jeho konfiguraci neúplnou. Na schematu je to znázorněno zeleným bodem „2“. 

Odštěpený protonový up kvark se připojí k částici, která byla původně neutronem a která je teď neúplná, protože jí chybí jeden down kvark. Tím se promění původní neutron na výsledný proton.

Procesy, které jsou na našem schématu znázorněny zelenou barvou, trvají jen nepatrně krátkou dobu – a to výše zmiňovaných 10 ^-16 s.

Výměny identit mezi protonem a neutronem jsou tak rychlé, že nedovolují dobře rozlišovat mezi protony a neutrony. Jádra atomů se tak mohou držet pohromadě i když by se jejich protony měly teoreticky navzájem elektrostaticky odpuzovat. Čím vyšší je počet protonů v jádře, tím vyšší počet neutronů jádro potřebuje na to, aby bylo stabilní a nemělo tendenci se rozpadat na menší fragmenty. U Uranu, který vlastní 92 protonů je souhrnný počet neutronů v jádře relativně stabilního izotopu U238  už 146.

Převeďme si tyto jevy do reality našeho pomyslného částicového Zoo: vidíme velkou, zelenou louku. Na ní se pasou dvě stádečka zvířat. Jedno z nich je tvořeno dvěma zebrami a jednou antilopou – ve druhém je zebra jen jedna, zato antilopy dvě.

Když se na ně zadíváte podrobněji, zjistíte, že se při každém soustu mění ve skupinkách jak počet zeber, tak i antilop. V podstatě se nedá ani určit, kde je kolik zeber, protože jejich okamžité množství se mění příliš rychle. Obě stádečka zvířat se tak sloučila do jednoho, většího.

Když budete všechna zvířata pozorovat déle a důkladněji, zjistíte, že větší skupinky zvířat obsahují vždy více antilop než zeber. Samotné zebry se nejspíše mezi sebou nemají rády a chtějí být navzájem od sebe oddělené antilopami.