Il meccanismo dei decadimenti delle particelle elementari può essere compreso solo capendo un concetto fondamentale: ogni particella rappresenta un modo organizzato in cui si manifesta l’energia.
Quando avviene il decadimento di una particella in altre che prima non esistevano, il tutto può avvenire perchè l’energia che era organizzata in un certo modo nella particella madre può manifestarsi, senza violare la conservazione dell’energia stessa e delle altre grandezze fisiche fondamentali, anche organizzata nelle particelle figlie.
Tuttavia non tutte le particelle possono decadere perché ogni processo deve avvenire rispettando la conservazione di diverse grandezze: innanzitutto energia, carica elettrica e spin (una specie di momento angolare delle particelle subnucleari), e poi ci sono tutta una serie di altre grandezze (numero dei quarks, numero leptonico elettronico, numero leptonico muonico, etc etc) che sono conservate o meno a seconda del tipo di forza (elettromagnetica, nucleare forte o nucleare debole) che interviene del processo. Nel caso del decadimento del neutrone la forza che interviene è quella nucleare debole. Quindi alcune particelle non decadono mai perché non esistono altre particelle che permettono di conservare l’energia e tutte le altre grandezze che devono essere conservate. Per esempio un elettrone non decade perchè non esiste nessuna particella carica più leggera e quindi non si potrebbe conservare l’energia. Il protone non decade perchè i quarks che lo compongono sono i più leggeri che combinati insieme danno il suo valore di carica elettrica e quindi non ci sarebbe modo di conservare simultaneamente energia, carica elettrica e numero dei quarks.
Essendo questi i limiti imposti ad una reazione tra particelle subnucleari, in linea di principio potrebbe avvenire anche il procedimento inverso: un protone, un elettrone e un antineutrino (nel decadimento che citi esce fuori un antineutrino non un neutrino) che si scontrano nello stesso punto possono dar luogo ad un neutrone. Tuttavia nella frequenza in cui si osserva un processo oppure quello inverso interviene l’entropia, o meglio il numero di modi in cui un certo processo può realizzarsi. Esattamente come è più facile che un bicchiere cada in frantumi piuttosto che i frantumi di un bicchiere si riorganizzino spontaneamente in un bicchiere intatto, così è molto più probabile che una particella che può decadere decada effettivamente piuttosto che non il processo che porta più di una particella ad incontrarsi casualmente fondendosi in una particella più grande. Infati questi processi sono tutti probabilistici e la cosiddetta vita media è un dato statistico, calcolando la media della durata delle particelle prima di decadere. Un particolare neutrone potrebbe anche sopravvivere isolato per un tempo molto più lungo, oppure molto più breve, della vita media di 14 minuti senza decadere.
Il motivo per cui il neutrone decade in protone+elettrone+antineutrino, e non in altre particelle, è simile a quanto detto prima per spiegare il perchè alcune particelle siano stabili. Il neutrone è leggermente più pesante del protone, per cui non c’è un altro modo per organizzare la stessa energia senza violare qualche legge di conservazione. Se invece dell’elettrone comparisse un neutrino si continuerebbe a conservare energia e numero leptonico elettronico ma non si conserverebbe la carica. Se invece del protone comparisse un mesone ¶+ (che ha la stessa carica del protone ma è più leggero), non si conserverebbe il numero di quarks (perchè il protone e il neutrone contengono tre quarks ciascuno, mentre i mesoni contengono un quark e un antiquark), con un positrone si perderebbe anche la conservazione del numero leptonico elettronico.
Questo ragionamento è verificato dal fatto che esistono decadimenti che coinvolgono particelle più pesanti, o più leggere ma che non contengono quarks, e in questi casi sono effettivamente possibili più modalità di decadimento. Si verifica sperimentalmente che le diverse possibilità di decadimento si realizzano tutte, con una frequenza diversa che dipende dalla massa complessiva delle particelle figlie. In genere si osserva che maggiore è la differenza tra massa della particella madre e somma delle masse delle particelle figlie, maggiore è la probabilità di realizzazione di una certa modalità di decadimento. Questo sempre per motivi entropici: quanto maggiore è la differenza tra le masse tanto maggiore è la porzione di massa che si converte in energia cinetica delle particelle figlie, e quindi più energia cinetica c’è a disposizione più sono i modi in cui essa può essere distribuita tra le particelle figlie, e quindi più sono i modi in cui un certo decadimento può realizzarsi.