Per esempio, la massa (che secondo la famosa equazione Einsteiniana E = mc² è proporzionale all'energia) di un neutrone è maggiore di quella di un protone, quindi i neutroni hanno un'intrinseca tendenza a trasformarsi in protoni. Questo è proprio quello che avviene. Viene allora da chiedersi perché mai questo processo non continui indefinitamente.

Ci sono altre particelle che hanno energia inferiore a quella del neutrone, e anche del protone: perché il protone a sua volta non si trasforma in qualcosa di ancora più leggero, ad esempio un elettrone?
Perché il neutrone non si trasforma direttamente in qualcosa di più leggero del protone?

Il motivo è che ci sono vincoli molto rigidi su quali trasformazioni possono avvenire e quali no. Il modo più conveniente di esprimere questi vincoli è di dire che ci sono delle quantità, dette generalmente"cariche", che sono conservate.

In una reazione qualunque, la somma delle cariche delle particelle iniziali deve essere uguale alla somma delle cariche delle particelle finali. Se questo non avviene, la reazione è proibita. Se la reazione non è proibita, allora sicuramente avviene (quanto velocemente avvenga però è un'altra questione).

Una delle cariche conservate è la carica elettrica. Un neutrone non può trasformarsi direttamente in un protone perchè la carica iniziale (0) e finale (1) sarebbero diverse. Tuttavia la conservazione della carica sarebbe soddifatta se oltre al protone venisse prodotto anche un elettrone, che ha carica -1. Nel decadimento del neutrone si osserva infatti sempre anche l'emissione di un elettrone.

Lo stesso tipo di considerazione si può fare su scala più piccola, per rispondere nel caso specifico dei quark citati nella domanda.

Un neutrone è uno stato legato con due quark d e un quark u, mentre un protone ha un quark d e due u. Quando un quark d (con carica elettrica -1/3) si trasforma in un quark u (con carica elettrica 2/3), la carica cambia di 1. Questa reazione può avvenire solo se è accompagnata dalla produzione di almeno un'altra particella di carica elettrica -1. Secondo la teoria corrente, questa particella è un bosone W con carica elettrica -1 che poi si trasforma in un elettrone (carica elettrica -1) e un neutrino (carica elettrica nulla). Quindi un quark d si trasforma in un quark u più un elettrone e un neutrino: nella reazione la carica elettrica è quindi conservata.

I quark all'interno del neutrone e protone non si possono vedere direttamente, e nemmeno la particella W che decade immediatamente; quello che si vede sono i prodotti finali: il protone, l'elettrone e (indirettamente) il neutrino. Lo stato iniziale - il neutrone - ha carica elettrica zero. Lo stato finale ha nuovamente carica zero perchè il protone e l'elettrone hanno carica opposta, ed il neutrino ha carica zero.

Lo stesso tipo di calcolo va fatto con tutte le altre cariche conservate, che sono meno conosciute della carica elettrica in quanto non hanno analoghe manifestazioni macroscopiche: la carica barionica, la carica leptonica, l'isospin, il colore. Per la reazione appena descritta tutte le cariche sono conservate e la reazione può avvenire.

L'ulteriore decadimento del protone non avviene perché verrebbe violata la conservazione della carica barionica. Il protone ha carica barionica 1e se decadesse, almeno uno tra i suoi prodotti di reazione dovrebbe avere carica barionica 1 e massa inferiore a quella del protone. Ma il protone è la più leggera particella con carica barionica diversa da zero e quindi questo non può succedere.

Quindi una risposta alla domanda è la seguente: in fisica delle particelle, tutto quello che non è proibito avviene. Le proibizioni nascono dalle regole di conservazione delle cariche. Quando una reazione è permessa dalla conservazione delle cariche, se l'energia dei prodotti finali è maggiore di quella dei prodotti iniziali la reazione avviene solo in modo "virtuale", ossia per durate temporali molto brevi, dopodiché si torna allo stato iniziale. Se invece l'energia dei prodotti finali è minore di quella dei prodotti iniziali la reazione avviene in modo "reale" con la produzione di particelle finali stabili o quasi stabili.