Dlaczego swobodny proton nie ulega rozpadowi?

Pytanie

Pyta Michał

Mam pytanie odnośnie rozpadu protonu. Wiadomo, że spontaniczny proces rozpadu swobodnego protonu według schematu $p \to n + e^+ + \nu$ (gdzie $\nu$ to neutrino) właściwie nie może zajść, a czas życia swobodnego protonu jest szacowany przynajmniej na $10^29$ lat. Dlaczego jednak podczas rozpadu $beta^+$ dla protonu związanego w jądrze taki rozpad, według tego właśnie schematu, jest możliwy?

Odpowiedź

Odpowiada Mikołaj Misiak

Rozpad swobodnego protonu według schematu $p \to n + e^+ + \nu$ nie może zajść, gdyż proton jest lżejszy od neutronu, więc nie dałoby się w tym procesie spełnić zasady zachowania energii (pamiętajmy o wzorze $E=mc^2$). Natomiast w jądrze atomowym potrzebna energia może być dostarczona przez pozostałe nukleony dzięki różnym energiom wiązania w różnych jądrach atomowych (w stanie początkowym i końcowym rozpadu $\beta^+$). Wspomniany w pytaniu czas rzędu $10^{29}$ lat jest jedynie aktualnym dolnym ograniczeniem eksperymentalnym na czas życia swobodnego protonu. Takie dolne ograniczenie otrzymujemy ze względu na brak obserwacji rozpadów protonu na lżejsze od niego cząstki (mezony, leptony, neutrina, fotony, ale nie neutrony).