Nucleón

En física y química , un nucleón es un protón o un neutrón , considerado en su función de componente de un núcleo atómico . La cantidad de nucleones en un núcleo define el número másico del átomo (número de nucleones) .

Hasta la década de 1960, se pensaba que los nucleones eran partículas elementales , no formadas por partes más pequeñas. Ahora se entienden como partículas compuestas , formadas por tres quarks unidos entre sí por la interacción fuerte . La interacción entre dos o más nucleones se denomina interacción internucleónica 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 internucleónicas).

Los nucleones se encuentran en el límite donde se superponen la física de partículas y la física nuclear . La física de partículas, en particular 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 para formar protones y neutrones (y todos los demás hadrones ). Sin embargo, cuando se ensamblan múltiples nucleones en un núcleo atómico ( nucleido ), estas ecuaciones fundamentales se vuelven demasiado difíciles de resolver directamente (ver QCD en red ). 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 capas nucleares . Estos modelos pueden describir con éxito las propiedades de los nucleidos, como por ejemplo, si un nucleido en particular sufre o no desintegración radiactiva .

El protón y el neutrón se encuentran en un esquema de categorías que los convierte a la vez en fermiones , hadrones y bariones . El protón tiene una carga neta positiva y el neutrón tiene una carga neta cero; la masa del protón es solo un 0,13 % menor que la del neutrón. Por lo tanto, pueden considerarse como dos estados del mismo nucleón y juntos forman un doblete de isospín ( I = ⁠1/2⁠ ). En el espacio de isospín, los neutrones pueden transformarse en protones y viceversa mediante simetrías SU(2) . Estos nucleones son igualmente afectados por la interacción fuerte, que es invariante bajo rotación en el espacio de isospín. Según el teorema de Noether , el isospín se conserva con respecto a la interacción fuerte. ^{[1] : 129–130}

Los protones y 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 (véase radiación neutrónica y dispersión de neutrones ). Los protones no 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 , es decir, cada una de ellas está formada por partes más pequeñas, concretamente tres quarks cada una; aunque alguna vez se creyó que así era, ninguna de ellas es una partícula elemental . Un protón está compuesto por dos quarks up y un quark down , mientras que el neutrón tiene un quark up y dos quarks down. Los quarks se mantienen unidos por la fuerza fuerte , o equivalentemente, por los gluones , que median la fuerza fuerte a nivel de quarks.

Un quark up tiene carga eléctrica ⁠++2/3⁠  e , y un quark abajo tiene carga ⁠−+1/3⁠  e , por lo que las cargas eléctricas sumadas del protón y el neutrón son + e y 0, respectivamente. ^[a] Por lo tanto, el neutrón tiene una carga de 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 del neutrón son similares: para el protón es1,6726 × 10 ⁻²⁷  kg (938,27  MeV/ c ² ), mientras que para el neutrón es1,6749 × 10 ⁻²⁷  kg (939,57  MeV/ c ² ); 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. ^{[1] : 135–136}

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, están obligados a tener un movimiento relativo , que también puede contribuir al espín nuclear a través del número cuántico orbital . Se extienden en capas nucleares análogas a las capas de electrones conocidas de la química.

Tanto el protón como el neutrón tienen momentos magnéticos , aunque los momentos magnéticos del nucleón son anómalos y fueron inesperados cuando se descubrieron en la década de 1930. El momento magnético del protón, símbolo μ _p , es2,79  μ _N , mientras que, si el protón fuera una partícula de Dirac elemental , debería tener un momento magnético de1,0  μ _N. Aquí la unidad para los momentos magnéticos es el magnetón nuclear , símbolo μ _{N , una} unidad de medida a escala atómica . El momento magnético del neutrón es μ _n =−1,91  μ _N , mientras que, dado que el neutrón carece de carga eléctrica, no debería tener momento magnético. El valor del momento magnético del neutrón es negativo porque la dirección del momento es opuesta al espín del neutrón. Los momentos magnéticos del nucleón surgen de la subestructura de quarks de los nucleones. ^{[2] [3]} El momento magnético del protón se explota para la exploración por RMN/IRM .

Un neutrón en estado libre es una partícula inestable, con una vida media de alrededor de diez minutos.
β⁻
Desintegración (un tipo de desintegración radiactiva ) al convertirse en un protón mientras emite un electrón y un antineutrino electrónico . Esta reacción puede ocurrir porque la masa del neutrón es ligeramente mayor que la del protón. (Véase el artículo sobre el neutrón para más información sobre la desintegración del neutrón). Se cree que un protón por sí mismo es estable, o al menos su vida útil es demasiado larga para medirla. Este es un tema importante en la física de partículas (véase Desintegración del protón ).

Por otro lado, dentro de un núcleo, 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 describió anteriormente; lo contrario puede suceder dentro de otros nucleidos, donde un protón se convierte en un neutrón (produciendo otras partículas) a través de
β⁺
desintegración o captura de electrones . Y dentro de otros nucleidos, tanto los protones como los neutrones son estables y no cambian de forma.

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 realizados hasta la fecha). En particular, los antinucleones pueden unirse para formar un "antinúcleo". Hasta ahora, los científicos han creado núcleos de antideuterio ^{[4] [5]} y antihelio-3 ^[6] .

^a Las masas del protón y del neutrón se conocen con mucha mayor precisión en daltons (Da) que en MeV/ c ² debido a la forma en que se definen. El factor de conversión utilizado es 1 Da = 931.494 028 (23 ⁾ MeV/ c2 .

^b Al menos 10 ³⁵ años. Véase desintegración 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 ^{−9 [PDG 1]} y la diferencia entre las masas del neutrón y el antineutrón es del orden de(9 ± 6) × 10 ⁻⁵  MeV/ c ² . ^{[PDG 2]}

Pruebas de invariancia CPT protón-antiprotón

Prueba	Fórmula	Resultado PDG [PDG 1]
Masa	${\displaystyle {\frac {|m_{\rm {p}}-m_{\bar {\rm {p}}}|}{m_{\rm {p}}}}}$	<2 × 10 −9
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 −11
Cargar	${\displaystyle {\frac {\left|q_{\rm {p}}+q_{\bar {\rm {p}}}\right|}{e}}}$	<2 × 10 −9
Carga del electrón	${\displaystyle {\frac {\left|q_{\rm {p}}+q_{\rm {e}}\right|}{e}}}$	<1 × 10 −21
Momento magnético	${\displaystyle {\frac {\left|\mu _{\rm {p}}+\mu _{\bar {p}}\right|}{\mu _{\rm {p}}}}}$	(−0,1 ± 2,1) × 10 −3

Las resonancias de nucleones son estados excitados de partículas de nucleones, que a menudo corresponden a uno de los quarks que tiene un estado de espín 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 Particle Data Group (PDG). Debido a sus vidas medias extraordinariamente cortas, muchas propiedades de estas partículas aún están bajo investigación.

El formato del símbolo se da como 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 se desintegra, e I y J son el isospín y el momento angular total de la partícula respectivamente. Dado que los nucleones se definen como poseedores de ⁠1/2⁠ isospín, 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 puede denotarse como "N(939) S ₁₁ " o "S ₁₁ (939)".

La tabla siguiente enumera solo la resonancia de base; cada entrada individual representa 4  bariones : 2 partículas de resonancia de nucleones y sus 2 antipartículas. Cada resonancia existe en una forma con una carga eléctrica positiva ( Q ), con una composición de quarks de
tú

tú

d
como el protón, y una forma neutra, con una composición de quarks de
tú

d

d
como el neutrón, así como las antipartículas correspondientes con composiciones de antiquarks de
tú

tú

d
y
tú

d

d
respectivamente. Dado que no contienen quarks strange , charm , bottom o top , estas partículas no poseen rareza , etc.

La tabla solo enumera las resonancias con un isospín = ⁠1/2⁠ . Para resonancias con isospín = ⁠3/2⁠ , ver el artículo sobre bariones delta .

† El nucleón P ₁₁ (939) representa el estado excitado de un protón o neutrón normal. Una partícula de este tipo puede ser estable cuando se encuentra en un núcleo atómico, por ejemplo, en el litio-6 . ^[7]

En el modelo de quarks 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, udd . En el sabor SU(3) , son parte del octeto del estado fundamental ( 8 ) de espín -1/2⁠ bariones , conocidos como la vía Óctuple . Los otros miembros de este octeto son los hiperones, el extraño isotriplete.
Σ⁺
,
Σ⁰
,
Σ⁻
, el
O
y el extraño isodoblete
O⁰
,
O⁻
Se puede extender este multiplete en el sabor SU(4) (con la inclusión del quark charm ) al estado fundamental 20 -plet, o en el sabor SU(6) (con la inclusión de los quarks top y bottom ) al estado fundamental 56 -plet.

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

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Aunque se sabe que el nucleón está formado por tres quarks, a fecha de 2006 ^[actualizar]no se sabe cómo resolver las ecuaciones de movimiento de la cromodinámica cuántica . Por tanto, 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 la QCD numéricamente, utilizando la QCD de red . Esto requiere algoritmos complicados y supercomputadoras muy potentes . Sin embargo, también existen varios modelos analíticos:

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 del número de bobinado topológico local se identifica con la densidad del número bariónico local del nucleón. Con el campo vectorial de isospín del pión orientado en forma de un espacio hedgehog , el modelo es fácilmente solucionable y, por lo tanto, a veces se lo denomina modelo hedgehog . 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.

El modelo de bolsa del MIT ^{[8] [9] [10]} confina 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 a una cavidad esférica, con la condición de contorno de que la corriente del vector de quarks se anule en el contorno. El tratamiento de no interacción de los quarks se justifica apelando a la idea de libertad asintótica , mientras que la condición de contorno duro se justifica por el confinamiento de quarks .

Matemáticamente, el modelo se parece vagamente al de una cavidad de radar , con soluciones a la ecuación de Dirac que sustituyen a las soluciones a las ecuaciones de Maxwell , y la condición de contorno de corriente vectorial 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 bolsa predice una masa de nucleón que está dentro del 30% de la masa real.

Aunque el modelo de bolsa básico no proporciona una interacción mediada por piones, describe excelentemente las fuerzas nucleón-nucleón a través del mecanismo del canal s de la bolsa de 6 quarks utilizando la matriz P. ^{[11] [12]}

El modelo de bolsa quiral ^{[13] [14]} 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 de contorno se proporciona mediante el requisito de continuidad de la corriente vectorial axial a través del límite de la bolsa.

Curiosamente, la parte faltante del número de bobinado topológico (el número bariónico) del agujero perforado en el skyrmion está compuesta exactamente 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 ^[actualizar], esta notable disyuntiva entre la topología y el espectro de un operador no tiene ningún fundamento o 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, con una precisión del 5 al 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 , ^[15] después de que el gato de Cheshire de Lewis Carroll se desvaneciera a solo su sonrisa. Se espera que una solución de primeros principios de las ecuaciones de QCD demuestre una dualidad similar de descripciones de quarks y mesones .

• Hadrones
• Interacción electrodébil

• Thomas, AW; Weise, W. (2001). La estructura del nucleón . Berlín, DE: Wiley-WCH. ISBN 3-527-40297-7.
• Brown, G. E.; Jackson, A. D. (1976). La interacción nucleón-nucleón . North-Holland Publishing . ISBN 978-0-7204-0335-0.
• Nakamura, N.; Particle Data Group ; et al. (2011). "Revisión de la física de partículas". Journal of Physics G . 37 (7): 075021. Bibcode :2010JPhG...37g5021N. doi : 10.1088/0954-3899/37/7A/075021 . hdl : 10481/34593 .