Распад протона

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 . ^[1] Гипотеза распада протона была впервые сформулирована Андреем Сахаровым в 1967 году. Несмотря на значительные экспериментальные усилия, распад протона никогда не наблюдался. Если он распадается на позитрон, период полураспада протона ограничен как минимум1,67 × 10 ³⁴ года . ^[2]

Согласно Стандартной модели , протон, разновидность бариона , стабилен, поскольку барионное число ( число кварков ) сохраняется ( при нормальных обстоятельствах; исключение см. в разделе «Киральная аномалия »). 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.

Некоторые теории Великого объединения (ТВО) , выходящие за рамки Стандартной модели , явно нарушают симметрию барионного числа, позволяя протонам распадаться через частицу Хиггса , магнитные монополи или новые Х-бозоны с периодом полураспада от 10 ³¹ до 10 ³⁶ лет. Для сравнения: размер Вселенной примерно1,38 × 10 ¹⁰ лет . ^[3] 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. ^[4]^[5]^[6]

Квантовая гравитация ^[7] (посредством виртуальных черных дыр и излучения Хокинга ) может также обеспечить место распада протона с величинами или временем жизни, значительно выходящими за пределы указанного выше диапазона распада в масштабе Великого объединения, а также дополнительные измерения в суперсимметрии . ^[8]^[9]^[10]^[11]

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 нарушение B − L. К таким примерам относятся нейтронные колебания и электрослабая аномалия сфалерона при высоких энергиях и температурах, которая может возникнуть при столкновении протонов с антилептонами ^[12] или наоборот (ключевой фактор лептогенеза и бариогенеза, не связанного с GUT).

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 . Вселенная в целом, по-видимому, имеет ненулевую положительную плотность барионного числа, то есть материи в ней больше, чем антиматерии. Поскольку в космологии предполагается , 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 малым, порядка 1 на каждые 10 ¹⁰ частиц через небольшую долю секунды после Большого взрыва, но после того, как большая часть материи и антиматерии была аннигилирована, то, что осталось, было всей барионной материей в нынешняя Вселенная, а также гораздо большее количество бозонов .

Большинство теорий Великого объединения явно нарушают симметрию барионного числа, которая объясняет это несоответствие, обычно вызывая реакции, опосредованные очень массивными X-бозонами (
Икс
) или массивные бозоны Хиггса (
ЧАС⁰
). Скорость, с которой происходят эти события, во многом определяется массой промежуточного продукта.
Икс
или
ЧАС⁰
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 получены на водном черенковском радиационном детекторе Супер-Камиоканде в Японии: анализ 2015 года установил нижнюю границу периода полураспада протона1,67 × 10 ³⁴ года в результате распада позитрона, ^[2] и, аналогично, анализ 2012 года дал нижнюю границу периода полураспада протона1,08 × 10 ³⁴ года за счет распада антимюона , ^[13] близко к предсказанию суперсимметрии (SUSY) 10 ³⁴ –10 ³⁶ лет. ^[14] Модернизированная версия Гипер-Камиоканде , вероятно, будет иметь чувствительность в 5–10 раз лучше, чем Супер-Камиоканде. ^[2]

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 10³¹ ~ 10³⁶ лет и распадается на позитрон и нейтральный пион , который сам немедленно распадается на два фотона гамма-излучения :

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

Доступны дополнительные режимы затухания (например:
п⁺
→ $мкм+$ + $π0$ ), ^[13] как напрямую, так и при катализе посредством взаимодействия с предсказанными GUT магнитными монополями . ^[15] 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 как минимум10 ³¹ год . По мере проведения дальнейших экспериментов и расчетов в 1990-х годах стало ясно, что период полураспада протона не может лежать ниже10 ³² года . 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 10³⁴ –10³⁵ 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 при6 × 10 ³⁹ лет , граница, применимая к моделям SUSY, ^[16] с максимумом для (минимальных) не-SUSY GUT при1,4 × 10 ³⁶ лет . ^[16]^{(часть 5.6)}

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 ) ^[17] 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

Время жизни протона в ванильном SU(5) можно наивно оценить как . ^[19] Суперсимметричные великие объединения с масштабами воссоединения около $µ ~$ ${\textstyle \tau _{p}\sim M_{X}^{4}/m_{p}^{5}}$ 2 × 10 ¹⁶ ГэВ/ c ² дают время жизни около10 ³⁴ лет , что примерно соответствует текущей экспериментальной нижней границе.

Операторы распада

Операторы распада протона размерности 6

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

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

Распад протона. Эти графики относятся к X-бозонам и бозонам Хиггса .
Распад протона размерности 6, опосредованный X-бозоном (3,2)
_{− 5 ⁄ 6}в SU(5) GUT
Распад протона размерности 6, опосредованный
X-бозоном (3,2)
_{1 ⁄ 6}в перевернутом SU(5) GUT
Распад протона размерности 6, опосредованный триплетом
Хиггса T (3,1)
_{− 1 ⁄ 3}и
антитриплет Хиггса T ( 3 ,1)
_{1 ⁄ 3}в SU(5) GUT

Операторы распада протона размерности 5

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

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 $д ℓ д͂ в$ и $ты с д с д͂ в$ .

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

Смотрите также

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. doi :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. doi :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?». Zeitschrift für Physik C. 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. doi :10.1016/j.physrep.2007.02.010. S2CID 119542637.

Внешние ссылки

В Wikiquote есть цитаты, связанные с распадом протона .

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.