Из Википедии, бесплатной энциклопедии
  (Перенаправлено из распада протонов )
Перейти к навигации Перейти к поиску
Эта статья о гипотетическом распаде протонов на другие субатомные частицы. Для типа радиоактивного распада, при котором ядро ​​выбрасывает протон, см. Испускание протона . Для радиоактивного распада, когда протон в ядре превращается в нейтрон, см. Испускание позитрона .
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, тип 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 превращается в нейтрон - 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 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, Вселенной примерно 10–10 лет . [3] На сегодняшний день все попытки наблюдать новые явления, предсказанные GUT (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] (через виртуальные черные дыры и излучение Хокинга ) может также обеспечить место распада протона с величинами или временами жизни, значительно превышающими указанный выше диапазон распада масштаба GUT, 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, 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. Такие примеры включают нейтронные осцилляции и аномалию электрослабых сфалеронов при высоких энергиях и температурах, которые могут возникать между столкновением протонов с антилептонами [12] или наоборот (ключевой фактор в лептогенезе и бариогенезе не-GUT).

Бариогенез [ править ]

Основная статья: Бариогенез
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 текущей 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 была бы слишком медленной, чтобы объяснить присутствие материи сегодня. Эти оценки предсказывают, что в большом объеме материала иногда 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 водного черенковского детектора излучения Super-Kamiokande в Японии: анализ 2015 года установил нижнюю границу периода полураспада протона, равную1,67 × 10 34 лет через распад позитрона [2], и аналогично, анализ 2012 г. дал нижнюю границу периода полураспада протона, равную1.08 × 10 34 года из-за распада антимюона [13], что близко к предсказанию суперсимметрии (SUSY) 10 34 –10 36  лет. [14] 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 :


п+
  		→  е+  +  π0

π0
  		→  2γ

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

Доступны дополнительные режимы распада (например:
п+
 → μ+ + π0), [13] как напрямую, так и при катализе через взаимодействие с магнитными монополями, предсказанными GUT . [15] Хотя этот процесс не наблюдался экспериментально, он находится в 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, предполагающими 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 35.лет, исключая более простые GUT (включая минимальные SU (5) / Георги – Глэшоу) и большинство моделей, не относящихся к SUSY. Максимальный верхний предел времени жизни протона (если он нестабилен) рассчитан на уровне 6 × 10 39  лет, предел применим к моделям SUSY, [16] с максимумом для (минимальных) не-SUSY GUT на уровне 1,4 × 10 36  лет. [17]

Хотя это явление называется «распад протона», эффект также будет наблюдаться в нейтронах, связанных внутри атомных ядер. Уже известно, что свободные нейтроны, находящиеся вне ядра атома, распадаются на протоны (а также на электрон и антинейтрино) в процессе, называемом бета-распадом . Свободные нейтроны имеют период полураспада около 10 минут (610,2 ± 0,8 с ) [18] из-за слабого взаимодействия . Нейтроны, связанные внутри ядра, имеют гораздо более длительный период полураспада - по-видимому, такой же, как у протона.

Прогнозируемое время жизни протонов [ править ]

Теоретический классВремя жизни протона (лет) [19]Исключено экспериментально?
Минимальный SU (5) ( Георги – Глэшоу )10 30 –10 31да
Минимальный SUSY SU (5)10 28 –10 32да
СУГРА СУ (5)10 32 –10 34да
SUSY SU (5) ( MSSM )~ 10 34Частично
Минимальный (Базовый) SO (10) - Не-SUSY<~ 10 35 (максимальный диапазон)Нет
SUSY SO (10)10 32 –10 35Частично
SUSY SO (10) MSSM G (224)2 · 10 34Нет
Перевернутый SU (5) (MSSM)10 35 –10 36Нет
СУСИ СУ (5) - 5 размеров10 34 –10 35Частично

Время жизни протона в ванильном SU (5) наивно можно оценить как . [20] Суперсимметричные GUT с масштабами воссоединения около µ ~ 2 × 10 16  ГэВ / c 2 дают время жизни около 10 34  лет, что примерно соответствует текущему экспериментальному нижнему пределу.

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 .

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. Проблему расщепления на триплет .

  • 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 - массовая шкала суперпартнеров .

Операторы распада протона размерности 4 [ править ]

В отсутствие материальной четности суперсимметричные расширения Стандартной модели могут привести к появлению последнего оператора, подавляемого 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.

См. Также [ править ]

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

Ссылки [ править ]

  1. ^ Радиоактивные распады протонами. Миф или реальность? Ишфак Ахмад , Ядро, 1969. С. 69–70.
  2. ^ a b c Байч, Борут; Хисано, Дзюндзи; Кувахара, Такуми; Омура, Юдзи (2016). «Пороговые поправки к операторам распада протона шестой размерности в неминимальных SUSY SU (5) GUT». Ядерная физика Б . 910 : 1. arXiv : 1603.03568 . Bibcode : 2016NuPhB.910 .... 1B . DOI : 10.1016 / j.nuclphysb.2016.06.017 . S2CID  119212168 .
  3. ^ Фрэнсис, Мэтью Р. "Распадаются ли протоны?" . журнал симметрии . Проверено 12 ноября 2020 .
  4. ^ "[nucl-th / 9809006] Зависящие от времени свойства распада протона при пересечении одночастичных метастабильных состояний в деформированных ядрах" . CS1 maint: обескураженный параметр ( ссылка )
  5. ^ "adsabs.harvard.edu" . CS1 maint: обескураженный параметр ( ссылка )
  6. ^ «Квантовый туннель к происхождению и эволюции жизни» . CS1 maint: обескураженный параметр ( ссылка )
  7. ^ "[0803.0749] Опасные последствия минимальной длины в квантовой гравитации" . CS1 maint: обескураженный параметр ( ссылка )
  8. ^ «Распад протона, черные дыры и большие дополнительные измерения - НАСА / ADS» . CS1 maint: обескураженный параметр ( ссылка )
  9. ^ "[1903.02940] Распад протона и квантовая структура пространства-времени" . CS1 maint: обескураженный параметр ( ссылка )
  10. ^ "[hep-th / 9508151v1] Информационный парадокс черной дыры" . CS1 maint: обескураженный параметр ( ссылка )
  11. ^ https://www.researchgate.net/publication/315696398_Virtual_Black_Holes_from_Generalized_Uncertainty_Principle_and_Proton_Decay
  12. ^ "Волновая функция Блоха для периодического сфалеронного потенциала и процессов, нарушающих неподавленные барионы и лептонные числа", С.Х. Генри Тайн и Сэм С.К. (2015). Phys. Ред. D , 92 (4), 045005 (05.08.2015). DOI: 10.1103 / PhysRevD.92.045005
  13. ^ а б Х. Нишино; Super-K Collaboration (2012). "Искать распад протона через
    п+
     →
    е+

    π0
     а также
    п+
     →
    μ+

    π0
    в большой воды Черенкова Detector». Physical Review Letters . 102 (14): 141801. Arxiv : 0903,0676 . Bibcode : 2009PhRvL.102n1801N . дои : 10,1103 / PhysRevLett.102.141801 . PMID  19392425 . S2CID  32385768 .
  14. ^ «Время жизни протона больше 10 34 лет» . www-sk.icrr.u-tokyo.ac.jp . 25 ноября 2009 г.
  15. ^ BV Sreekantan (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. ^ Нат, Пран; Филевьес Перес, Павел (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 . 
  17. ↑ Нат и Перес, 2007, часть 5.6.
  18. ^ KA Olive; и другие. (2014). "Обзор физики элементарных частиц - N- барионы" (PDF) . Китайская физика C . 38 (9): 090001. arXiv : astro-ph / 0601168 . Bibcode : 2014ChPhC..38i0001O . DOI : 10.1088 / 1674-1137 / 38/9/090001 .
  19. ^ «Теории Великого Объединения и распад протона», Эд Кернс, Бостонский университет, 2009, стр. 15. http://physics.bu.edu/NEPPSR/TALKS-2009/Kearns_GUTs_ProtonDecay.pdf
  20. ^ Chanowitz, Майкл S .; Эллис, Джон; Гайяр, Мэри К. (3 октября 1977 г.). «Цена сохранения натурального аромата при нейтральных слабых взаимодействиях» . Ядерная физика Б . 128 (3): 506–536. Bibcode : 1977NuPhB.128..506C . DOI : 10.1016 / 0550-3213 (77) 90057-8 . ISSN 0550-3213 . 

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 ]

  • 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.