Распад протона

Картина слабых изоспинов , слабых гиперзарядов и цветовых зарядов для частиц в модели Джорджи – Глэшоу . Здесь, протон, состоящий из двух до кварков и вниз, распадается на пион, состоящие из вверх и анти-вверх, и позитрона, через X - бозон с электрическим зарядом - ⁴ / ₃ .

В физике элементарных частиц , распад протона является гипотетической формой распада частиц , в котором протон распадается на более легкие элементарные 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 должен быть не менее1,67 × 10 ³⁴ года. ^[2]

Согласно Стандартной модели протон, разновидность бариона , стабилен, потому что барионное число ( кварковое число ) сохраняется (при нормальных обстоятельствах; см. Киральную аномалию для исключения). Следовательно, протоны не будут распадаться на другие частицы сами по себе, потому что они - самый легкий (и, следовательно, наименее энергичный) барион. Излучение позитрона - форма радиоактивного распада, при котором протон становится нейтроном - не является распадом протона, поскольку протон взаимодействует с другими частицами внутри атома.

Некоторые теории великого объединения (GUT), выходящие за рамки Стандартной модели, явно нарушают симметрию барионных чисел, позволяя протонам распадаться через частицу Хиггса , магнитные монополи или новые X-бозоны с периодом полураспада от 10 ³¹ до 10 ³⁶ лет. Для сравнения, Вселенной примерно ^10-10 лет . ^[3] На сегодняшний день все попытки наблюдать новые явления, предсказываемые GUT (например, распад протона или существование магнитных монополей), потерпели неудачу.

Квантовая гравитация (через виртуальные черные дыры и излучение Хокинга ) также может обеспечить место распада протона с величинами или временами жизни, значительно превышающими указанный выше диапазон распада масштаба GUT, а также дополнительные измерения в суперсимметрии .

Существуют теоретические методы нарушения барионов, отличные от распада протона, включая взаимодействия с изменениями барионного и / или лептонного числа, отличными от 1 (как требуется при распаде протона). К ним относятся нарушения B и / или L числа 2, 3 или других чисел или нарушение B  -  L. К таким примерам относятся нейтронные осцилляции и аномалия электрослабых сфалеронов при высоких энергиях и температурах, которые могут возникать между столкновением протонов с антилептонами ^[4] или наоборот (ключевой фактор в лептогенезе и бариогенезе не-GUT).

Бариогенез [ править ]

Нерешенная проблема в физике : Распадаются ли протоны ? Если да, то каков период полураспада ? Может ли на это повлиять энергия связи ядра ? (больше нерешенных задач по физике)

Одна из нерешенных проблем современной физики - преобладание материи над антивеществом во Вселенной . Кажется, что Вселенная в целом имеет отличную от нуля положительную плотность барионного числа, то есть материя существует. Поскольку в космологии предполагается, что частицы, которые мы видим, были созданы с использованием той же физики, которую мы измеряем сегодня, обычно можно ожидать, что общее барионное число должно быть равно нулю, поскольку материя и антивещество должны были быть созданы в равных количествах. Это привело к ряду предложенных механизмов нарушения симметрии.которые способствуют созданию нормальной материи (в отличие от антивещества) при определенных условиях. Этот дисбаланс был бы исключительно малым, порядка 1 в каждом10 000 000 000 (10 ¹⁰ ) частиц через небольшую долю секунды после Большого взрыва, но после того, как большая часть вещества и антивещества аннигилировала, все, что осталось, - это вся барионная материя в нынешней Вселенной, а также гораздо большее количество из бозонов .

Большинство теорий великого объединения явно нарушают симметрию барионного числа , что 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 звена.
Икс
или же
ЧАС⁰
частиц, поэтому, если предположить, 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 в большом объеме материала время от времени будет происходить спонтанный распад протона.

Экспериментальные доказательства [ править ]

Распад протона - одно из ключевых предсказаний различных теорий великого объединения (GUT), предложенных в 1970-х годах, другой важной 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 за этими событиями потерпели неудачу; однако эти эксперименты смогли установить нижние границы периода полураспада протона. В настоящее время наиболее точные результаты получены с помощью детектора черенковского излучения воды Super-Kamiokande в Японии: анализ 2015 года установил нижнюю границу периода полураспада протона, равную1,67 × 10 ³⁴ года через распад позитрона ^[2], и аналогично, анализ 2012 г. дал нижнюю границу периода полураспада протона, равную1.08 × 10 ³⁴ года из-за распада антимюона ^{[5], что} близко к предсказанию суперсимметрии (SUSY) 10 ³⁴ –10 ³⁶  лет. ^[6] Улучшенная версия Hyper-Kamiokande , вероятно, будет иметь чувствительность в 5–10 раз лучше, чем Super-Kamiokande. ^[2]

Теоретическая мотивация [ править ]

Несмотря на отсутствие наблюдательных доказательств распада протона, некоторые теории великого объединения , такие как SU (5) модель Джорджи – Глэшоу и SO (10) , вместе с их суперсимметричными вариантами, требуют этого. Согласно таким теориям, протон имеет период полураспада от 10 ³¹ до 10 ³⁶ лет и распадается на позитрон и нейтральный пион, который сам немедленно распадается на 2  гамма- фотона :

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

Доступны дополнительные режимы распада (например:
п⁺
→ μ+ + π0), ^[5] как непосредственно, так и при катализе через взаимодействие с магнитными монополями, предсказанными GUT . ^[7] Хотя этот процесс не наблюдался экспериментально, он находится в пределах области экспериментальной проверки для будущих планируемых очень крупномасштабных детекторов мегатонного масштаба. К таким детекторам относится Hyper-Kamiokande .

Ранние теории великого объединения (GUT), такие как модель Джорджи-Глэшоу , которые были первыми последовательными теориями, предлагающими распад протона, постулировали, что период полураспада протона будет составлять не менее 10 ³¹ года. По мере проведения дальнейших экспериментов и расчетов в 1990-х годах стало ясно, что период полураспада протона не может быть ниже 10 ³² лет. Многие книги того периода ссылаются на этот рисунок для обозначения возможного времени распада барионной материи. Более поздние открытия подтолкнули минимальный период полураспада протона как минимум до 10 ³⁴ -10 ³⁵лет, исключая более простые GUT (включая минимальные SU (5) / Джорджи – Глэшоу) и большинство не-SUSY-моделей. Максимальный верхний предел времени жизни протона (если он нестабилен) рассчитан на уровне 6 × 10 ³⁹  лет, предел применим к моделям SUSY, ^[8] с максимумом для (минимальных) не-SUSY GUT на уровне 1,4 × 10 ³⁶  лет. ^[9]

Хотя это явление называется «распад протона», эффект также будет наблюдаться в нейтронах, связанных внутри атомных ядер. Уже известно, что свободные нейтроны - те, которые не находятся внутри атомного ядра - распадаются на протоны (а также электрон и антинейтрино) в процессе, называемом бета-распадом . Свободные нейтроны имеют период полураспада около 10 минут (610,2 ± 0,8 с ) ^[10] из-за слабого взаимодействия . Нейтроны, связанные внутри ядра, имеют гораздо более длительный период полураспада - очевидно, такой же, как у протона.

Прогнозируемое время жизни протонов [ править ]

Время жизни протона в ванильном SU (5) наивно можно оценить как . ^[12] Суперсимметричные GUT с масштабами воссоединения около µ ~${\displaystyle \tau _{p}\sim {\frac {M_{X}^{4}}{m_{p}^{5}}}}$ 2 × 10 ¹⁶  ГэВ / c 2 дают время жизни около 10 ³⁴  лет, что примерно соответствует текущей экспериментальной нижней границе.

Операторы распада [ править ]

Операторы распада протона размерности 6 [ править ]

В размерности операторы -6 протонного распада являются , , и , где это масштаб обрезания для стандартной модели . Все эти операторы нарушают как барионного числа ( B ) и число лептонов ( L ) сохранения , но не комбинация B  -  L .${\displaystyle {\frac {qqql}{\Lambda ^{2}}}}$${\displaystyle {\frac {d^{c}u^{c}u^{c}e^{c}}{\Lambda ^{2}}}}$${\displaystyle {\frac {{\overline {e^{c}}}{\overline {u^{c}}}qq}{\Lambda ^{2}}}}$${\displaystyle {\frac {{\overline {d^{c}}}{\overline {u^{c}}}ql}{\Lambda ^{2}}}}$${\displaystyle \Lambda }$

В моделях GUT обмен X или Y-бозоном с массой Λ _GUT может привести к подавлению последних двух операторов с помощью . Обмен триплетом Хиггса с массой может привести к подавлению всех операторов . См. Задачу о расщеплении дуплета – триплета .${\displaystyle {\frac {1}{\Lambda _{GUT}^{2}}}}$${\displaystyle M}$${\displaystyle {\frac {1}{M^{2}}}}$

• Распад протона. Эти рисунки относятся к X-бозонам и бозонам Хиггса .
• Распад протона размерности 6 при посредничестве
  X-бозона (3,2)
  _{- ⁵ / 6} в SU (5) GUT

• Распад протона размерности 6 при посредничестве
  X-бозона (3,2)
  _{¹ / 6} в перевернутом SU (5) GUT

• Распад протона размерности 6, опосредованный
  триплетом Хиггса T (3,1)
  _{- ¹ / 3}и
  анти-триплет Хиггса T ( 3 , 1)
  _{¹ / 3} в SU (5) GUT

Операторы распада протона размерности 5 [ править ]

В суперсимметричных расширениях (например, MSSM ), мы можем также имеем размерность-5 операторов с участием двух фермионов и два sfermions вызванных обменом tripletino массы М . В sfermions будет обменять гайджино или хиггсин или гравитин оставив два фермионов. Общая диаграмма Фейнмана имеет петлю (и другие сложности из-за физики сильного взаимодействия). Эта скорость распада подавляется, где M _SUSY - масштаб масс суперпартнёров .${\displaystyle {\frac {1}{MM_{SUSY}}}}$

Операторы распада протона размерности 4 [ править ]

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

ℓ

d͂
^c и
ты
^c
d
^c
d͂
^c .

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

См. Также [ править ]

• Возраст вселенной
• B - L
• Виртуальная черная дыра
• Слабый гиперзаряд
• X- и Y-бозоны

Ссылки [ править ]

Дальнейшее чтение [ править ]

• К. Амслер; Группа данных по частицам (2008). "Обзор физики элементарных частиц - N- барионы" (PDF) . Физика Письма Б . 667 (1): 1–6. Bibcode : 2008PhLB..667 .... 1A . DOI : 10.1016 / j.physletb.2008.07.018 .
• К. Хагивара; Группа данных по частицам (2002). "Обзор физики элементарных частиц - N- барионы" (PDF) . Physical Review D . 66 (1): 010001. Bibcode : 2002PhRvD..66a0001H . DOI : 10.1103 / PhysRevD.66.010001 .
• Ф. Адамс; Г. Лафлин (19.06.2000). Пять возрастов Вселенной: внутри физики вечности . ISBN 978-0-684-86576-8.
• Л. М. Краусс (2001). Атом: Одиссея от Большого взрыва к жизни на Земле . ISBN 978-0-316-49946-0.
• Д.-Д. Ву; Т.-З. Ли (1985). «Распад, аннигиляция или синтез протона?». Zeitschrift für Physik С . 27 (2): 321–323. Bibcode : 1985ZPhyC..27..321W . DOI : 10.1007 / BF01556623 . S2CID  121868029 .
• П. Нат; П. Филевьез Перес (2007). «Стабильность протона в теориях великого объединения, в струнах и бранах». Отчеты по физике . 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 [ править ]

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 колебаниям нейтрино в Венеции . Венеция.