Распад протона

Эта статья о гипотетическом распаде нуклонов (протонов или нейтронов) на другие субатомные частицы. Чтобы узнать о типе радиоактивного распада, при котором ядро ​​выбрасывает протон, см. Испускание протонов . О радиоактивном распаде, при котором протон внутри ядра превращается в нейтрон, см. « Испускание позитрона» .

«Распад нуклона» перенаправляется сюда. Чтобы узнать о распаде нейтронов, см. Распад нейтронов .

Структура слабых изоспинов , слабых гиперзарядов и цветных зарядов для частиц в модели Джорджи–Глэшоу . Здесь протон, состоящий из двух верхних кварков и нижнего, распадается на пион, состоящий из верхнего и анти-верхнего, и позитрон через X-бозон с электрическим зарядом — ⁠ 4 / 3 ⁠ e .

В физике элементарных частиц распад протона — это гипотетическая форма распада частицы , при которой протон распадается на более легкие субатомные частицы , такие как нейтральный пион и позитрон . Гипотеза распада протона была впервые сформулирована Андреем Сахаровым в 1967 году. Несмотря на значительные экспериментальные усилия, распад протона так и не наблюдался. Если он распадается на позитрон, период полураспада протона ограничен как минимум 1,67 × 10. ³⁴ годы .

Согласно Стандартной модели , протон, разновидность бариона , стабилен, поскольку барионное число ( число кварков ) сохраняется (при нормальных обстоятельствах; см. в разделе «Киральная аномалия» исключение ). Следовательно, протоны не будут распадаться на другие частицы сами по себе, поскольку они являются самым легким (и, следовательно, наименее энергичным) барионом. Эмиссия позитрона и захват электрона — формы радиоактивного распада , при которых протон становится нейтроном, — не являются распадом протона, поскольку протон взаимодействует с другими частицами внутри атома.

(GUT), выходящие за рамки стандартной модели Некоторые теории Великого объединения , явно нарушают симметрию барионного числа, позволяя протонам распадаться через частицу Хиггса , магнитные монополи или новые X-бозоны с периодом полураспада 10. ³¹ до 10 ³⁶ годы. Для сравнения: размер Вселенной примерно 1,38 × 10. ¹⁰ лет . На сегодняшний день все попытки наблюдать новые явления, предсказанные Теорией Великого Объединения (такие как распад протона или существование магнитных монополей ), потерпели неудачу.

Квантовое туннелирование может быть одним из механизмов распада протона.

Квантовая гравитация (через виртуальные черные дыры и излучение Хокинга ) также может стать местом распада протона с величинами или временем жизни, значительно превышающими указанный выше диапазон распада в масштабе Великого объединения, а также дополнительные измерения в суперсимметрии .

Существуют теоретические методы нарушения барионов, отличные от распада протона, включая взаимодействия с изменениями барионного и / или лептонного числа, отличного от 1 (что требуется при распаде протона). К ним относятся нарушения B и/или L 2, 3 или других чисел или B − L. нарушение К таким примерам относятся нейтронные колебания и электрослабая сфалерона аномалия при высоких энергиях и температурах, которая может возникнуть в результате столкновения протонов с антилептонами. или наоборот (ключевой фактор лептогенеза и бариогенеза, не связанного с GUT).

Бариогенез

Основная статья: Бариогенез

Нерешенная задача по физике :

Протоны распадаются ? Если да, то каков период полураспада ? Может ли энергия ядерной связи повлиять на это?

(еще нерешенные задачи по физике)

Одной из важнейших проблем современной физики является преобладание материи над антиматерией во Вселенной . Кажется, что Вселенная в целом имеет ненулевую положительную плотность барионного числа, то есть материи в ней больше, чем антиматерии. предполагается, Поскольку в космологии что частицы, которые мы видим, были созданы с использованием той же физики, которую мы измеряем сегодня, обычно ожидается, что общее барионное число должно быть равно нулю, поскольку материя и антиматерия должны были быть созданы в равных количествах. Это привело к появлению ряда предложенных механизмов нарушения симметрии , которые способствуют созданию нормальной материи (в отличие от антиматерии) при определенных условиях. Этот дисбаланс был бы исключительно небольшим, порядка 1 из каждых 10. ¹⁰ частиц через небольшую долю секунды после Большого взрыва, но после того, как большая часть материи и антиматерии аннигилировала, осталась вся барионная материя в нынешней Вселенной вместе с гораздо большим количеством бозонов .

Большинство теорий Великого объединения явно нарушают симметрию барионного числа, которая объясняет это несоответствие, обычно вызывая реакции, опосредованные очень массивными X-бозонами (
Х
) или массивные бозоны Хиггса (
ЧАС ⁰
). Скорость, с которой происходят эти события, во многом определяется массой промежуточного продукта.
Х
или
ЧАС ⁰
частиц, поэтому, если предположить, что эти реакции ответственны за большую часть наблюдаемого сегодня барионного числа, можно рассчитать максимальную массу, выше которой скорость будет слишком медленной, чтобы объяснить присутствие материи сегодня. Эти оценки предсказывают, что в большом объеме материала иногда будет наблюдаться спонтанный распад протона.

Экспериментальные доказательства

Распад протона — одно из ключевых предсказаний различных теорий великого объединения (ТВО), предложенных в 1970-х годах, еще одним важным предсказанием является существование магнитных монополей . Обе концепции были в центре внимания крупных усилий экспериментальной физики с начала 1980-х годов. На сегодняшний день все попытки наблюдать за этими событиями потерпели неудачу; однако в этих экспериментах удалось установить нижнюю границу периода полураспада протона. В настоящее время наиболее точные результаты дает Супер-Камиоканде водный черенковский детектор излучения в Японии: нижняя граница периода полураспада протона составляет 2,4 × 10. ³⁴ лет за счет распада позитрона и аналогично 1,6 × 10 ³⁴ лет в результате распада антимюона ,близко к предсказанию суперсимметрии (SUSY) 10 ³⁴ –10 ³⁶ годы. Модернизированная версия Гипер-Камиоканде , вероятно, будет иметь чувствительность в 5–10 раз лучше, чем Супер-Камиоканде.

Теоретическая мотивация

Несмотря на отсутствие наблюдательных доказательств распада протона, некоторые теории великого объединения , такие как модель SU(5) Джорджи-Глэшоу и SO(10) , а также их суперсимметричные варианты, требуют этого. Согласно таким теориям, период полураспада протона составляет около 10 ³¹ ~10 ³⁶ лет и распадается на позитрон и нейтральный пион , который сам немедленно распадается на два гамма-излучения фотона :

$${\begin{aligned}{\rm {p^{+}\longrightarrow e^{+}+}}&\ \pi ^{0}\\&\downarrow \\&2\gamma \end{aligned}}$$

Поскольку позитрон является антилептоном, этот распад сохраняет число B — L , которое сохраняется в большинстве GUT .

Доступны дополнительные режимы затухания (например:
п ⁺
→
м ⁺
+
п ⁰
), как напрямую, так и при катализе посредством взаимодействия с GUT предсказанными магнитными монополями . Хотя этот процесс не наблюдался экспериментально, он находится в пределах экспериментальной проверки для будущих планируемых очень крупномасштабных детекторов мегатонного масштаба. К таким детекторам относится « Гипер-Камиоканде» .

Ранние теории великого объединения (GUT), такие как модель Джорджи-Глэшоу, которые были первыми последовательными теориями, предполагавшими распад протона, постулировали, что период полураспада протона будет составлять не менее 10 ³¹ годы . По мере проведения дальнейших экспериментов и расчетов в 1990-е годы стало ясно, что период полураспада протона не может лежать ниже 10 ³² годы . Во многих книгах того периода эта цифра используется для обозначения возможного времени распада барионной материи. Более поздние результаты увеличили минимальный период полураспада протонов как минимум до 10 ³⁴ –10 ³⁵ лет, исключая более простые GUT (включая минимальную SU(5) / Джорджи – Глэшоу) и большинство моделей, не относящихся к SUSY. Максимальный верхний предел времени жизни протона (если он нестабильен) рассчитывается как 6 × 10 ³⁹ лет , граница применима к моделям SUSY, с максимумом для (минимальных) не-SUSY GUT 1,4 × 10 ³⁶ годы .

Хотя это явление называется «распадом протона», этот эффект также можно наблюдать в нейтронах, связанных внутри атомных ядер. Свободные нейтроны — те, которые не находятся внутри атомного ядра — уже известно, распадаются на протоны (а также электрон и антинейтрино) в процессе, называемом бета-распадом . Свободные нейтроны имеют период полураспада 10 минут ( 610,2 ± 0,8 с ). из-за слабого взаимодействия . Нейтроны, связанные внутри ядра, имеют гораздо более длительный период полураспада – по-видимому, такой же большой, как и у протона.

Прогнозируемое время жизни протонов

Теоретический класс	Время жизни протона (лет)	Исключили экспериментально?
Минимальный SU (5) ( Джорджи – Глэшоу )	10 30 –10 31	Да
Minimal SUSY SU(5)	10 28 –10 32	Да
САХАР СУ(5)	10 32 –10 34	Да
СЮЗИ ТАК(10)	10 32 –10 35	Частично
СУСИ СУ(5) ( МССМ )	~10 34	Частично
SUSY SU(5) – 5 измерений	10 34 –10 35	Частично
СЮСИ ТАК(10) МССМ Г(224)	2 × 10 34	Нет
Минимальный (базовый) SO(10) – без SUSY	< ~10 35 (максимальный диапазон)	Нет
Перевернутый SU(5) (MSSM)	10 35 –10 36	Нет

Время жизни протона в ванильном SU(5) можно наивно оценить как ${\textstyle \tau _{p}\sim M_{X}^{4}/m_{p}^{5}}$. Суперсимметричные великие объединения с масштабами воссоединения около µ ~   2 × 10. ¹⁶  ГэВ/ c ² дают срок службы около 10 ³⁴ yr , примерно текущая экспериментальная нижняя граница.

Операторы распада

Операторы распада протона размерности 6

размерности -6 : Операторы распада протона ${\textstyle qqq\ell /\Lambda ^{2},}$ ${\textstyle d^{c}u^{c}u^{c}e^{c}/\Lambda ^{2},}$ ${\textstyle {\overline {e^{c}}}{\overline {u^{c}}}qq/\Lambda ^{2},}$ и ${\textstyle {\overline {d^{c}}}{\overline {u^{c}}}q\ell /\Lambda ^{2},}$ где $\Lambda$ — это предельная шкала Стандартной модели . Все эти операторы нарушают сохранение как барионного числа ( B ), так и лептонного числа ( L ), но не комбинацию B − L .

В моделях GUT обмен X- или Y-бозоном на массу Λ _GUT может привести к подавлению двух последних операторов ${\textstyle 1/\Lambda _{\text{GUT}}^{2}}$. Обмен тройки Хиггса с массой M может привести к подавлению всех операторов ${\textstyle 1/M^{2}}$. См. раздел «Проблема дублет-триплетного расщепления» .

• Распад протона. Эти графики относятся к X-бозонам и бозонам Хиггса .
• 
  Распад протона размерности 6, опосредованный X-бозоном (3,2)
  _{− 5 ⁄ 6 дюймов} SU(5) ХОРОШО
• 
  Распад протона измерения 6, опосредованный
  Х-бозон (3,2)
  _{1 ⁄ 6 дюйма} перевернутого SU (5) GUT
• 
  Распад протона измерения 6, опосредованный
  тройка Хиггса Т (3,1)
  _{− 1 ⁄ 3} и
  антитриплет Хиггса Т ( 3 ,1)
  _{1 ⁄ дюйм} SU(5) ХОРОШО

Операторы распада протона размерности 5

В суперсимметричных расширениях (таких как MSSM ) мы также можем иметь операторы размерности 5, включающие два фермиона и два , вызванные обменом триплетино массы M. сфериона Затем сферионы поменяют местами гауджино , хиггсино или гравитино, оставив два фермиона. Общая диаграмма Фейнмана имеет петлю (и другие сложности из-за физики сильных взаимодействий). Эта скорость распада подавляется ${\textstyle 1/MM_{\text{SUSY}}}$ где M _SUSY — массовый масштаб суперпартнеров .

Операторы распада протона размерности 4

В отсутствие четности материи суперсимметричные расширения Стандартной модели могут привести к появлению последнего оператора, подавленного обратным квадратом массы sdown- кварка. Это связано с операторами размерности 4
д

ℓ

д͂
^с и
в
^с
д
^с
д͂
^с .

Скорость распада протона подавляется только ${\textstyle 1/M_{\text{SUSY}}^{2}}$ это слишком быстро, если только связи не очень малы.

См. также

• Возраст Вселенной
• Б - Л
• Виртуальная черная дыра
• Слабый гиперзаряд
• X и Y-бозоны
• Железная звезда

Дальнейшее чтение

• К. Амслер; Группа данных о частицах (2008). «Обзор физики элементарных частиц - N- барионы» (PDF) . Буквы по физике Б. 667 (1): 1–6. Бибкод : 2008PhLB..667....1A . дои : 10.1016/j.physletb.2008.07.018 . hdl : 1854/LU-685594 . S2CID   227119789 .
• К. Хагивара; Группа данных о частицах (2002). «Обзор физики элементарных частиц - N- барионы» (PDF) . Физический обзор D . 66 (1): 010001. Бибкод : 2002PhRvD..66a0001H . дои : 10.1103/PhysRevD.66.010001 .
• Ф. Адамс; Дж. Лафлин (19 июня 2000 г.). Пять возрастов Вселенной: внутри физики вечности . Саймон и Шустер. ISBN  978-0-684-86576-8 .
• Л. М. Краусс (2001). Атом: Одиссея от Большого взрыва к жизни на Земле . Маленький Браун. ISBN  978-0-316-49946-0 .
• Д.-Д. Ву; Т.-З. Ли (1985). «Распад, аннигиляция или синтез протона?». Журнал физики С. 27 (2): 321–323. Бибкод : 1985ZPhyC..27..321W . дои : 10.1007/BF01556623 . S2CID   121868029 .
• П. Нат; П. Филевье Перес (2007). «Стабильность протона в теориях великого объединения, в струнах и бранах». Отчеты по физике . 441 (5–6): 191–317. arXiv : hep-ph/0601023 . Бибкод : 2007PhR...441..191N . дои : 10.1016/j.physrep.2007.02.010 . S2CID   119542637 .

Внешние ссылки

• Распад протона в Супер-Камиоканде
• Иллюстрированная история эксперимента IMB
• Лучано Майани (8 февраля 2006 г.). Проблема распада протона (PDF) . Третий международный семинар NO-VE по нейтринным колебаниям в Венеции . Венеция.