Protonsönderfall

Den här artikeln handlar om det hypotetiska sönderfallet av protoner till andra subatomära partiklar. För typen av radioaktivt sönderfall där en kärna stöter ut en proton, se Protonemission . För det radioaktiva sönderfallet där en proton i en kärna omvandlas till en neutron, se positronemission .

Mönstret av svaga isospins , svaga hyperladdningar och färgladdningar för partiklar i Georgi–Glashow-modellen . Här sönderfaller en proton, bestående av två uppkvarkar och en nedåt, till en pion, bestående av en upp och anti-upp, och en positron, via en X-boson med elektrisk _laddning − ^4/3 .

Inom partikelfysiken är protonsönderfall en hypotetisk form av partikelsönderfall där protonen sönderfaller till lättare subatomära partiklar , såsom en neutral pion och en positron . Hypotesen om protonsönderfall formulerades först av Andrej Sacharov 1967. Trots betydande experimentella ansträngningar har protonsönderfall aldrig observerats. Om den sönderfaller via en positron, begränsas protonens halveringstid till att vara minst 1,67 × 10 ³⁴ år.

Enligt standardmodellen är protonen, en typ av baryon , stabil eftersom baryonnummer ( kvarknummer ) är bevarat (under normala omständigheter; se kiral anomali för ett undantag). Därför kommer inte protoner att sönderfalla till andra partiklar på egen hand, eftersom de är den lättaste (och därför minst energirika) baryonen. Positronemission och elektroninfångning – former av radioaktivt sönderfall som ser en proton bli en neutron – är inte protonsönderfall, eftersom protonen interagerar med andra partiklar i atomen.

grand unified theories (GUT ) utanför standardmodellen bryter explicit baryonnummersymmetrin, vilket gör att protoner kan sönderfalla via Higgspartikeln, magnetiska monopoler eller nya X-bosoner med en halveringstid på 10 ³¹ till 10 ³⁶ år. Som jämförelse är universum ungefär 1,38 × 10 ¹⁰ år gammalt . Hittills har alla försök att observera nya fenomen som förutspåtts av GUT (som protonsönderfall eller förekomsten av magnetiska monopoler ) misslyckats.

Kvanttunnel kan vara en av mekanismerna för protonsönderfall.

Kvantgravitation (via virtuella svarta hål och Hawking-strålning ) kan också ge en plats för protonsönderfall vid magnituder eller livstider långt bortom GUT-skalans avklingningsintervall ovan, såväl som extra dimensioner i supersymmetri .

Det finns teoretiska metoder för baryonöverträdelse andra än protonsönderfall inklusive interaktioner med förändringar av baryon- och/eller leptonnummer annat än 1 (som krävs vid protonsönderfall). Dessa inkluderade B- och/eller L -överträdelser av 2, 3 eller andra nummer, eller B - L -överträdelser. Sådana exempel inkluderar neutronoscillationer och den elektrosvaga sphaleronanomalin vid höga energier och temperaturer som kan uppstå mellan kollision mellan protoner och antileptoner eller vice versa (en nyckelfaktor i leptogenes och icke-GUT baryogenes) .

Baryogenes

Huvudartikel: Baryogenes

Olöst problem i fysik :

Förfaller protoner ? Om så är fallet, vad är halveringstiden ? Kan kärnkraftsbindande energi påverka detta?

(fler olösta problem inom fysik)

materiens dominans över antimateria i universum . Universum som helhet verkar ha en positiv baryontalstäthet som inte är noll - det vill säga det finns mer materia än antimateria. Eftersom det inom kosmologin antas att partiklarna vi ser skapades med samma fysik som vi mäter idag, skulle man normalt förvänta sig att det totala baryontalet skulle vara noll, eftersom materia och antimateria borde ha skapats i lika stora mängder. Detta har lett till ett antal föreslagna mekanismer för symmetribrytning som gynnar skapandet av normal materia (i motsats till antimateria) under vissa förhållanden. Denna obalans skulle ha varit exceptionellt liten, i storleksordningen 1 av 10 000 000 000 (10 ¹⁰ ) partiklar en liten bråkdel av en sekund efter Big Bang, men efter att det mesta av materia och antimateria förintades, var det som blev över all baryonmateria i det nuvarande universum, tillsammans med ett mycket större antal bosoner .

De flesta stora förenade teorier bryter uttryckligen baryonnummersymmetrin , vilket skulle förklara denna diskrepans, och åberopar vanligtvis reaktioner förmedlade av mycket massiva X-bosoner (
X
) eller massiva Higgs-bosoner (
H ⁰
). Hastigheten med vilken dessa händelser inträffar styrs till stor del av massan av de mellanliggande
X-
eller
H ⁰
-partiklarna, så genom att anta att dessa reaktioner är ansvariga för majoriteten av baryontalet som ses idag, kan en maximal massa beräknas över vilken hastigheten skulle vara för långsamt för att förklara närvaron av materia idag. Dessa uppskattningar förutspår att en stor volym material ibland kommer att uppvisa ett spontant protonsönderfall.

Experimentella bevis

Protonsönderfall är en av nyckelförutsägelserna för de olika stora förenade teorierna (GUT) som föreslogs på 1970-talet, en annan viktig är förekomsten av magnetiska monopoler . Båda koncepten har varit i fokus för stora experimentella fysikinsatser sedan början av 1980-talet. Hittills har alla försök att observera dessa händelser misslyckats; dessa experiment har dock kunnat fastställa lägre gränser för protonens halveringstid. För närvarande kommer de mest exakta resultaten från Super-Kamiokande vatten Cherenkov i Japan: en analys från 2015 satte en nedre gräns för protonens halveringstid på 1,67 × 10 ³⁴ år via positronsönderfall, och på samma sätt gav en analys från 2012 en nedre gränsen till protonens halveringstid på 1,08 × 10 ³⁴ år via antimyonnedbrytning , nära en supersymmetri (SUSY) förutsägelse på 10 ³⁴ –10 ³⁶ år. En uppgraderad version, Hyper-Kamiokande , kommer förmodligen att ha känslighet 5–10 gånger bättre än Super-Kamiokande.

Teoretisk motivering

Trots bristen på observationsbevis för protonsönderfall, kräver vissa stora föreningsteorier , såsom SU(5) Georgi–Glashow-modellen och SO(10) , tillsammans med deras supersymmetriska varianter. Enligt sådana teorier har protonen en halveringstid på cirka 10 ³¹ ~ 10 ³⁶ år och sönderfaller till en positron och en neutral pion som själv omedelbart sönderfaller till två gammastrålefotoner :

p +	→	e +	+	π0
				└→	2 y

Eftersom en positron är en antilepton bevarar detta sönderfall B − L -talet, vilket är bevarat i de flesta GUT s.

Ytterligare avklingningslägen är tillgängliga (t.ex.:
p ⁺
→
μ ⁺
+
π ⁰
), både direkt och när de katalyseras via interaktion med GUT -förutsagda magnetiska monopoler . Även om denna process inte har observerats experimentellt, är den inom området för experimentell testbarhet för framtida planerade mycket storskaliga detektorer på megatonskalan. Sådana detektorer inkluderar Hyper-Kamiokande .

Tidiga stora föreningsteorier (GUT) som Georgi–Glashow-modellen , som var de första konsekventa teorierna som antydde protonsönderfall, postulerade att protonens halveringstid skulle vara minst 10 ³¹ år. När ytterligare experiment och beräkningar utfördes på 1990-talet blev det klart att protonhalveringstiden inte kunde ligga under 10 ³² år. Många böcker från den perioden hänvisar till denna siffra för den möjliga sönderfallstiden för baryonisk materia. Nyare fynd har skjutit upp den minsta protonhalveringstiden till minst 10 ³⁴ ~ 10 ³⁵ år, vilket utesluter de enklare GUT (inklusive minimal SU(5) / Georgi–Glashow) och de flesta icke-SUSY-modeller. Den maximala övre gränsen för protonlivslängd (om den är instabil) beräknas till 6 × 10 ³⁹ år, en gräns som gäller för SUSY-modeller, med ett maximum för (minimal) icke-SUSY GUT på 1,4 × 10 ³⁶ år.

Även om fenomenet kallas "protonsönderfall", skulle effekten också ses i neutroner bundna inuti atomkärnor. Fria neutroner – de som inte finns inne i en atomkärna – är redan kända för att sönderfalla till protoner (och en elektron och en antineutrino) i en process som kallas beta-sönderfall . Fria neutroner har en halveringstid på 10 minuter ( 610,2 ± 0,8 s ) på grund av den svaga interaktionen . Neutroner bundna inuti en kärna har en oerhört längre halveringstid - uppenbarligen lika lång som protonens.

Prognostiserade protonlivslängder

Teori klass	Protonlivslängd (år)	Experimentellt uteslutet?
Minimal SU(5) ( Georgi–Glashow )	10 30 –10 31	Ja
Minimal SUSY SU(5)	10 28 –10 32	Ja
SUGRA SU(5)	10 32 –10 34	Ja
SUSY SO(10)	10 32 –10 35	Delvis
SUSY SU(5) ( MSSM )	~10 34	Delvis
SUSY SU(5) – 5 dimensioner	10 34 –10 35	Delvis
SUSY SO(10) MSSM G(224)	2·10 34	Nej
Minimal (grundläggande) SO(10) – Icke-SUSY	< ~10 35 (maximalt intervall)	Nej
Vänd SU(5) (MSSM)	10 35 –10 36	Nej

  Livslängden för protonen i vanilj SU(5) kan naivt uppskattas som $\tau _{p}\sim {\frac {M_{X}^{4}}{ m_{p}^{5}}}$ . Supersymmetriska GUTs med återföreningsskalor runt µ ~   2 × 10 ¹⁶ GeV/ c ² ger en livslängd på cirka 10 ³⁴ år, ungefär den nuvarande experimentella nedre gränsen.

Förfallsoperatörer

Dimension-6 protonsönderfallsoperatorer

Dimensionen -6 protonsönderfallsoperatorer är ${\frac {qqql}{\Lambda ^{2}}}$ , $\frac {d^{c}u^{c}u^{c}e^{c}}{\Lambda ^{2}}}} , e c ¯ u c$ u ¯ ${ {\overline {e^{c}}}{\overline {u^{c}}}qq}{\Lambda ^{2}}}} och d c ¯$ u $\ frac {{\overline {d^{c}}}{\overline {u^{c}}}ql}{\Lambda ^{2}}}} där Λ {\displaystyle \Lambda$ } $cutoff$ - skalan för Standardmodell . Alla dessa operatorer bryter mot både baryonnummer ( B ) och leptonnummer ( L ) bevarande men inte kombinationen B − L .

I GUT- modeller kan utbytet av en X- eller Y-boson med massan Λ _GUT leda till att de två sista operatorerna undertrycks av ${\frac {1}{\Lambda _{GUT}^{ 2}}}$ . Utbytet av en Higgs-triplett med massan $M$ kan leda till att alla operatorer undertrycks av ${\frac {1}{M^{2}}}$ . Se problem med dubblett-triplettdelning .

• Protonsönderfall. Den här grafiken hänvisar till X-bosonerna och Higgs-bosonerna .
• 

  
  Dimension-6 protonsönderfall medierat av X-bosonen (3,2)
  _{− 5 ⁄ 6} i SU(5) GUT

• 

  
  Dimension-6 protonsönderfall medierat av X-bosonen (3,2)
  _{1 ⁄ 6} i flippad SU(5) GUT

• 

  
  
  Dimension-6 protonsönderfall medierat av tripletten Higgs T (3,1)
  _{− 1 ⁄ 3} och anti-tripletten Higgs T ( 3 ,1)
  _{1 ⁄ 3} i SU(5) GUT

Dimension-5 protonsönderfallsoperatorer

I supersymmetriska förlängningar (som MSSM ), kan vi också ha dimension-5-operatorer som involverar två fermioner och två sfermioner orsakade av utbyte av en tripletino med massan M . Sfermionerna kommer sedan att byta ut en gaugino eller Higgsino eller gravitino och lämnar två fermioner. Det övergripande Feynman-diagrammet har en loop (och andra komplikationer på grund av stark interaktionsfysik). Denna avklingningshastighet undertrycks av ${\frac {1}{MM_{\text{SUSY}}}}$ där M _SUSY är massskalan för superpartnerna .

Dimension-4 protonsönderfallsoperatorer

I frånvaro av materieparitet kan supersymmetriska förlängningar av standardmodellen ge upphov till den sista operatorn undertryckt av den omvända kvadraten på sdown -kvarkmassan. Detta beror på dimension-4-operatorerna
q

ℓ

d͂
^c och
u
^c
d
^c
d͂
^c .

Protonavklingningshastigheten undertrycks endast av ${\frac {1}{M_{\text{SUSY}}^{2}}}$ vilket är alldeles för snabbt om inte kopplingarna är mycket små.

Se även

• Universums ålder
• B - L
• Virtuella svarta hål
• Svag hyperladdning
• X och Y bosoner

Vidare läsning

•   C. Amsler; Particle Data Group (2008). "Recension av partikelfysik - N Baryons" (PDF) . Fysik Bokstäver B . 667 (1): 1–6. Bibcode : 2008PhLB..667....1A . doi : 10.1016/j.physletb.2008.07.018 . hdl : 1854/LU-685594 . S2CID 227119789 .
• K. Hagiwara; Particle Data Group (2002). "Recension av partikelfysik - N Baryons" (PDF) . Fysisk granskning D . 66 (1): 010001. Bibcode : 2002PhRvD..66a0001H . doi : 10.1103/PhysRevD.66.010001 .
•   F. Adams; G. Laughlin (2000-06-19). Universums fem åldrar: Inuti evighetens fysik . ISBN 978-0-684-86576-8 .
•   LM Krauss (2001). Atom: En odyssé från Big Bang till Livet på jorden . ISBN 978-0-316-49946-0 .
•   D.-D. Wu; T.-Z. Li (1985). "Protonsönderfall, förintelse eller sammansmältning?". Zeitschrift für Physik C . 27 (2): 321–323. Bibcode : 1985ZPhyC..27..321W . doi : 10.1007/BF01556623 . S2CID 121868029 .
•   P. Nath; P. Fileviez Perez (2007). "Protonstabilitet i stora förenade teorier, i strängar och i braner". Fysiska rapporter . 441 (5–6): 191–317. arXiv : hep-ph/0601023 . Bibcode : 2007PhR...441..191N . doi : 10.1016/j.physrep.2007.02.010 . S2CID 119542637 .

externa länkar

• Protonsönderfall vid Super-Kamiokande
• Bildhistoria av IMB-experimentet
• Luciano Maiani (8 februari 2006). Problemet med protonsönderfall (PDF) . Tredje NO-VE internationella workshop om neutrinoscillationer i Venedig . Venedig.