Распад протона

Гипотетический процесс распада частицы протона

Схема слабых изоспинов , слабых гиперзарядов и цветовых зарядов для частиц в модели Джорджи–Глэшоу . Здесь протон, состоящий из двух верхних кварков и нижнего, распадается на пион, состоящий из верхнего и антиверхнего, и позитрон через X-бозон с электрическим зарядом − ⁠4/3⁠ е .

В физике элементарных частиц распад протона — 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 через позитрон, период полураспада протона ограничен по крайней мере1,67 × 10 ³⁴  лет . ^[2]

Согласно Стандартной модели , протон, тип бариона , стабилен, поскольку барионное число ( число кварков ) сохраняется (при нормальных обстоятельствах; см. Хиральная аномалия для исключения). Поэтому протоны не распадаются на другие частицы сами по себе, поскольку они являются самыми легкими (и, следовательно, наименее энергичными) барионами. Позитронная эмиссия 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 (GUT) , выходящие за рамки Стандартной модели , явно нарушают симметрию барионного числа, позволяя протонам распадаться через частицу Хиггса , магнитные монополи или новые X-бозоны с периодом полураспада от 10 ³¹ до 10 ³⁶ лет. Для сравнения, Вселенная примерно1,38 × 10 ¹⁰ лет . ^[3] На сегодняшний день все попытки наблюдать новые явления, предсказанные теориями великого объединения (например, распад протона или существование магнитных монополей ), потерпели неудачу.

Квантовое туннелирование может быть одним из механизмов распада протона. ^{[4] [5] [6]}

Квантовая гравитация ^[7] (через виртуальные черные дыры и излучение Хокинга ) также может предоставить место для распада протонов при величинах или временах жизни, значительно превышающих диапазон распада шкалы GUT, указанный выше, а также дополнительные измерения в суперсимметрии . ^{[8] [9] [10] [11]}

Существуют теоретические методы нарушения барионного равновесия, отличные от распада протона, включая взаимодействия с изменениями барионного и/или лептонного числа, отличного от 1 (как требуется при распаде протона). Они включают нарушения B и/или L 2, 3 или других чисел, или нарушение B  −  L. Такие примеры включают нейтронные осцилляции и электрослабую сфалеронную аномалию при высоких энергиях и температурах, которые могут возникнуть между столкновением протонов в антилептоны ^[12] или наоборот (ключевой фактор в лептогенезе и не-GUT бариогенезе).

Бариогенезис

Нерешенная задача по физике :

Распадаются ли протоны ? Если да, то каков период полураспада ? Может ли на это влиять энергия ядерной связи ?

(еще нерешенные проблемы по физике)

Одной из нерешенных проблем современной физики является преобладание материи над антиматерией во Вселенной . Вселенная в целом, по-видимому, имеет ненулевую положительную плотность барионного числа, то есть материи больше, чем антиматерии. Поскольку в космологии предполагается , что частицы, которые мы видим, были созданы с использованием той же физики, которую мы измеряем сегодня, обычно можно было бы ожидать, что общее барионное число должно быть равно нулю, поскольку материя и антиматерия должны были быть созданы в равных количествах. Это привело к ряду предложенных механизмов нарушения симметрии , которые благоприятствуют созданию нормальной материи (в отличие от антиматерии) при определенных условиях. Этот дисбаланс был бы исключительно мал, порядка 1 на каждые 1010 ^частиц в течение небольшой доли секунды после Большого взрыва, но после того, как большая часть материи и антиматерии аннигилировала, то, что осталось, было всей барионной материей в текущей Вселенной, вместе с гораздо большим количеством бозонов .

Большинство теорий великого объединения явно нарушают симметрию барионного числа, что могло бы объяснить это несоответствие, обычно вызывая реакции, опосредованные очень массивными X-бозонами (
Х
) или массивные бозоны Хиггса (
ЧАС⁰
). Скорость, с которой происходят эти события, во многом определяется массой промежуточного
Х
или
ЧАС⁰
частицы, поэтому, предполагая, что эти реакции ответственны за большую часть барионного числа, наблюдаемого сегодня, можно вычислить максимальную массу, выше которой скорость будет слишком медленной, чтобы объяснить присутствие материи сегодня. Эти оценки предсказывают, что большой объем материала будет время от времени демонстрировать спонтанный распад протона.

Экспериментальные доказательства

Распад протона является одним из ключевых предсказаний различных теорий великого объединения (GUT), предложенных в 1970-х годах, еще одним важным из которых является существование магнитных монополей . Обе концепции были в центре внимания основных усилий экспериментальной физики с начала 1980-х годов. На сегодняшний день все попытки наблюдать эти события потерпели неудачу; однако эти эксперименты смогли установить нижние границы периода полураспада протона. В настоящее время наиболее точные результаты получены с помощью детектора черенковского излучения Super -Kamiokande в Японии: ^[13] нижняя граница периода полураспада протона2,4 × 10 ³⁴  лет через распад позитрона, и аналогично,1,6 × 10 ³⁴  лет через распад антимюона , что близко к предсказанию суперсимметрии (SUSY) 10 ³⁴ –10 ³⁶  лет. ^[14] Модернизированная версия, Hyper-Kamiokande , вероятно, будет иметь чувствительность в 5–10 раз лучше, чем Super-Kamiokande.

Теоретическая мотивация

Несмотря на отсутствие наблюдательных данных о распаде 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, протон имеет период полураспада около 10³¹ ~10³⁶  лет и распадается на позитрон и нейтральный пион , который в свою очередь немедленно распадается на два гамма- фотона :

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

Поскольку позитрон является антилептоном, этот распад сохраняет число B − L , которое сохраняется в большинстве теорий великого объединения .

Доступны дополнительные режимы распада (например:
п⁺
→ μ+ +π0 ), как напрямую, так и при катализе через взаимодействие с предсказанными GUT магнитными монополями . ^[15] Хотя этот процесс не наблюдался экспериментально, он находится в области экспериментальной проверяемости для будущих запланированных очень больших детекторов в мегатонном масштабе. Такие детекторы включают Hyper-Kamiokande .

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 по крайней мере10 ³¹  год . По мере проведения дальнейших экспериментов и расчетов в 1990-х годах стало ясно, что период полураспада протона не может быть ниже10 ³²  лет . Многие книги того периода ссылаются на эту цифру как на возможное время распада барионной материи. Более поздние открытия подняли минимальный период полураспада протона до по крайней мере 10³⁴ –10³⁵  лет, исключая более простые GUT (включая минимальную SU(5) / Georgi–Glashow) и большинство не-SUSY моделей. Максимальный верхний предел времени жизни протона (если он нестабилен) рассчитывается как6 × 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», эффект также можно наблюдать в нейтронах , связанных внутри атомных ядер. Свободные нейтроны — те, которые не находятся внутри атомного ядра — уже известны тем, что распадаются на протоны (а также электрон и антинейтрино) в процессе, называемом бета-распадом . Период полураспада свободных нейтронов составляет 10 минут (610,2 ± 0,8 с ) ^[17] из-за слабого взаимодействия . Нейтроны, связанные внутри ядра, имеют значительно более длительный период полураспада — по-видимому, такой же большой, как у протона.

Прогнозируемое время жизни протонов

Время жизни протона в ванильной SU(5) можно наивно оценить как . ^[19] Суперсимметричные GUT 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  года , что примерно соответствует текущему экспериментальному нижнему пределу.

Операторы распада

Операторы распада протона размерности 6

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

В моделях GUT обмен бозоном X или Y с массой Λ _GUT может привести к подавлению последних двух операторов на . Обмен триплетом Хиггса с массой M может привести ко всем операторам, подавленным на . См. Проблема расщепления дублета и триплета . ${\textstyle 1/\Lambda _{\text{GUT}}^{2}}$ ${\textstyle 1/M^{2}}$

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

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 с массой M. Затем сферионы обменяются гейджино или хиггсино или гравитино, оставив два фермиона. Общая диаграмма Фейнмана имеет петлю (и другие осложнения из-за физики сильного взаимодействия). Эта скорость распада подавляется где M _SUSY — это масштаб масс суперпартнеров . ${\textstyle 1/MM_{\text{SUSY}}}$

Операторы распада протона размерности 4

При отсутствии четности материи суперсимметричные расширения Стандартной модели могут привести к последнему оператору, подавленному обратным квадратом массы sdown- кварка. Это происходит из-за операторов размерности 4
д

ℓ

д͂
^с и
ты
^с
г
^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

• Возраст вселенной
• Б − Л
• Виртуальная черная дыра
• Слабый гиперзаряд
• X и Y бозоны
• Железная звезда

Ссылки

1. Ахмад, Ишфак (1969), «Радиоактивные распады протонов. Миф или реальность?», The Nucleus , стр. 69–70
2. Bajc, Borut; Hisano, Junji; Kuwahara, Takumi; Omura, Yuji (2016). "Пороговые поправки к операторам распада протона размерности шесть в неминимальных SUSY SU(5) GUT". Nuclear Physics B . 910 : 1. arXiv : 1603.03568 . Bibcode :2016NuPhB.910....1B. doi :10.1016/j.nuclphysb.2016.06.017. S2CID  119212168.
3. Фрэнсис, Мэтью Р. (22 сентября 2015 г.). «Распадаются ли протоны?». журнал symmetry . Получено 12 ноября 2020 г.
4. Talou, P.; Carjan, N.; Strottman, D. (1998). «Зависящие от времени свойства распада протона при пересечении одночастичных метастабильных состояний в деформированных ядрах». Physical Review C. 58 ( 6): 3280–3285. arXiv : nucl-th/9809006 . Bibcode : 1998PhRvC..58.3280T. doi : 10.1103/PhysRevC.58.3280. S2CID  119075457.
5. Dicus, DA; Letaw, JR; Teplitz, DC; Teplitz, VL (январь 1982). «Влияние распада протона на космологическое будущее». The Astrophysical Journal . 252 : 1. Bibcode : 1982ApJ...252....1D. doi : 10.1086/159528. ISSN  0004-637X.
6. Трикслер, Ф. (2013). «Квантовое туннелирование к происхождению и эволюции жизни». Current Organic Chemistry . 17 (16): 1758–1770. doi :10.2174/13852728113179990083. PMC 3768233. PMID  24039543 . 
7. Бэмби, Козимо; Фриз, Кэтрин (2008). «Опасные последствия минимальной длины в квантовой гравитации». Классическая и квантовая гравитация . 25 (19): 195013. arXiv : 0803.0749 . Bibcode : 2008CQGra..25s5013B. doi : 10.1088/0264-9381/25/19/195013. hdl : 2027.42/64158. S2CID  2040645.
8. Адамс, Фред К.; Кейн, Гордон Л.; Мбонье, Манассе; Перри, Малкольм Дж. (2001). «Распад протона, черные дыры и большие дополнительные измерения — NASA/ADS». Международный журнал современной физики A. 16 ( 13): 2399–2410. arXiv : hep-ph/0009154 . Bibcode : 2001IJMPA..16.2399A. doi : 10.1142/S0217751X0100369X. S2CID  14989175.
9. Аль-Модли, Абир; Альсалех, Сальва; Альшал, Хассан; Али, Ахмед Фараг (2019). «Распад протона и квантовая структура пространства-времени». Канадский журнал физики . 97 (12): 1317–1322. arXiv : 1903.02940 . Bibcode : 2019CaJPh..97.1317A. doi : 10.1139/cjp-2018-0423. hdl : 1807/96892. S2CID  119507878.
10. Гиддингс, Стивен Б. (1995). «Информационный парадокс черной дыры». arXiv : hep-th/9508151 .
11. Альсалех, Сальва; Аль-Модли, Абир; Фараг Али, Ахмед (2017). «Виртуальные черные дыры из обобщенного принципа неопределенности и распада протона». Europhysics Letters . 118 (5): 50008. arXiv : 1703.10038 . Bibcode : 2017EL....11850008A. doi : 10.1209/0295-5075/118/50008. S2CID  119369813.
12. Тай, С.-Х. Генри; Вонг, Сэм СК (2015). "Волновая функция Блоха для периодического потенциала сфалерона и неподавленных процессов нарушения барионного и лептонного чисел". Physical Review D. 92 ( 4): 045005. arXiv : 1505.03690 . Bibcode : 2015PhRvD..92d5005T. doi : 10.1103/PhysRevD.92.045005. S2CID  73528684.
13. Майн, Шуничи (2023). «Распад нуклона: теория и экспериментальный обзор». Zenodo . doi :10.5281/zenodo.10493165.
14. "Время жизни протона больше 1034 лет". Обсерватория Камиока . 25 ноября 2009 г. Архивировано из оригинала 16 июля 2011 г.
15. Шрикантан, Б. В. (1984). «Поиски распада протона и сверхтяжелых магнитных монополей» (PDF) . Журнал астрофизики и астрономии . 5 (3): 251–271. Bibcode :1984JApA....5..251S. doi :10.1007/BF02714542. S2CID  53964771.
16. Nath, Pran; Fileviez Pérez, Pavel (2007). «Стабильность протона в теориях великого объединения, в струнах и в бранах». Physics Reports . 441 (5–6): 191–317. arXiv : hep-ph/0601023 . Bibcode : 2007PhR...441..191N. doi : 10.1016/j.physrep.2007.02.010. S2CID  119542637.
17. Олив, КА; и др. (Particle Data Group) (2014). "Обзор физики элементарных частиц – N барионы" (PDF) . Chinese Physics C. 38 ( 9): 090001. arXiv : astro-ph/0601168 . Bibcode : 2014ChPhC..38i0001O. doi : 10.1088/1674-1137/38/9/090001. S2CID  118395784.
18. Буэно, Антонио; Мельгарехо, Антонио Дж; Навас, Серджио; Дай, Цзусян; Ге, Юаньюань; Лафранки, Марко; Мерегалья, Ансельмо; Руббиа, Андре (11 апреля 2007 г.). «Поиски распада нуклонов с помощью больших детекторов TPC жидкого аргона на малых глубинах: атмосферные нейтрино и космогенный фон». Журнал физики высоких энергий . 2007 (4): 041. arXiv : hep-ph/0701101 . Бибкод : 2007JHEP...04..041B. дои : 10.1088/1126-6708/2007/04/041. ISSN  1029-8479. S2CID  119426496.
19. Чановиц, Майкл С.; Эллис, Джон; Гайлард, Мэри К. (3 октября 1977 г.). «Цена сохранения естественного аромата в нейтральных слабых взаимодействиях». Nuclear Physics B . 128 (3): 506–536. Bibcode :1977NuPhB.128..506C. doi :10.1016/0550-3213(77)90057-8. ISSN  0550-3213. S2CID  121007369.

Дальнейшее чтение

• Amsler, C.; et al. ( Particle Data Group ) (сентябрь 2008 г.). "Обзор физики элементарных частиц – N барионы" (PDF) . Physics Letters B. 667 ( 1–5): 1–6. Bibcode : 2008PhLB..667....1A. doi : 10.1016/j.physletb.2008.07.018. hdl : 1854/LU-685594 . S2CID  227119789.
• Hagiwara, K.; et al. ( Particle Data Group ) (июль 2002 г.). "Обзор физики элементарных частиц – N барионы" (PDF) . Physical Review D. 66 ( 1): 010001. Bibcode : 2002PhRvD..66a0001H. doi : 10.1103/PhysRevD.66.010001. ISSN  0556-2821.
• Адамс, Фред; Лафлин, Грег (2000). Пять возрастов вселенной: внутри физики вечности . Лондон: Touchstone Books . ISBN 978-0-684-86576-8.
• Краусс, Лоуренс Максвелл (2001). Атом: одиссея от большого взрыва до жизни на Земле и дальше . Бостон: Little Brown & Company . ISBN 978-0-316-49946-0.
• У, Дань-ди; Ли, Те-чжун (1985). «Распад, аннигиляция или синтез протона?». Zeitschrift für Physik . 27 (2): 321–323. Бибкод : 1985ZPhyC..27..321W. дои : 10.1007/BF01556623. ISSN  0170-9739. S2CID  121868029.
• Nath, Pran; Fileviez Pérez, Pavel (апрель 2007 г.). «Стабильность протона в теориях великого объединения, в струнах и в бранах». Physics Reports . 441 (5–6): 191–317. arXiv : hep-ph/0601023 . Bibcode :2007PhR...441..191N. doi :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 осцилляциям в Венеции. Венеция.