Hur uppstår neutrinos vid beta-sönderfall? Vad händer med nukleonerna vid beta+-sönderfall?

Hur uppstår neutrinos vid beta-sönderfall? Vad händer med nukleonerna vid beta+-sönderfall?

Frågan ställdes 2017-03-19 av Hjördis, 22 år.

För att förstå problemet är det bäst att börja med protonen och neutronen, nukleonerna som ingår i en atomkärna, som är de lättaste partiklarna som är uppbyggda av tre kvarkar. Protonen är något lättare än neutronen, därför kan neutronen sönderfalla i en proton som i sin tur, så långt vi vet, är stabil. I kärnan kan också protonen sönderfalla i en neutron när den resulterande kärnan har en högre bindningsenergi, det vill säga har en lägre massa.

När en fri neutron sönderfaller i en proton måste minst en ny partikel uppstå, så att impulsen fortsätter att vara densamma. Protonen och neutronen sönderfaller genom svag växelverkan. Partiklarna som växelverkar vid svag växelverkning är kvarkar, elektroner (och deras tyngre partners) och neutrinos. Dessa partiklar kan endast bli framställda i par därför att det finns en symmetri av partiklar och anti-partiklar inom fysiken.

Sönderfaller neutronen i en proton behöver vi en negativt laddad, svagt växelverkande partikel (elektronen) så att den elektriska laddningen kvarstår och en svagt växelverkande, neutral anti-partikel (anti-neutrino). Alltså sönderfaller neutronen i en proton, en elektron och en anti-neutrino. Detta kallar vi för beta-sönderfall.

I en atomkärna kan också en proton sönderfalla och vi behöver en neutron, en positivt laddad, svagt växelverkande anti-partikel (positronen, elektronens anti-partikel) och en neutral, svagt växelverkande partikel (neutrino). Detta kallas för beta+-sönderfall.

Skriver man dessa sönderfall som en reaktionsformel så ser de ut såhär:
n → p + e^- + anti-neutrino
p → n + e⁺ + neutrino (endast i atomkärnan)

Frågan besvarades av Magnus Wolke, universitetslektor vid avdelningen kärnfysik, institutionen för fysik och astronomi.