Распад протона - Proton decay

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 . 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.

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 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 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 . На сегодняшний день все попытки наблюдать новые явления, предсказываемые GUT (например, распад протона или существование магнитных монополей), потерпели неудачу.

Квантовое туннелирование может быть одним из механизмов распада протона.

Квантовая гравитация (через виртуальные черные дыры и излучение Хокинга ) также может обеспечить место распада протона с величинами или временем 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 электрослабого сфалерона при высоких энергиях и температурах, которые могут возникать между столкновением протонов в антилептоны или наоборот (ключевой фактор в лептогенезе и бариогенезе не-GUT).

Бариогенез

Одна из нерешенных проблем современной физики - преобладание материи над антивеществом во Вселенной . Кажется, что Вселенная в целом имеет ненулевую 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 их 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
ЧАС⁰
частиц, поэтому, предполагая, что эти реакции ответственны за большую часть наблюдаемого сегодня барионного числа, 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

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 года через распад позитрона, и аналогично, анализ 2012 г. дал нижнюю границу периода полураспада протона, равную1.08 × 10 ³⁴ года из-за распада антимюона , что близко к предсказанию суперсимметрии (SUSY) 10 ³⁴ –10 ³⁶  лет. Улучшенная версия Hyper-Kamiokande , вероятно, будет иметь чувствительность в 5–10 раз лучше, чем Super-Kamiokande.

Теоретическая мотивация

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 примерно 10 ³¹ ~ 10 ³⁶  лет и распадается на позитрон и нейтральный пион, который сам немедленно распадается на два гамма- фотона :

п+	→	е+	+	π0
				└ →	2 γ

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

Доступны дополнительные режимы распада (например:
п⁺
→
μ⁺
+
π⁰
), как непосредственно, так и при катализе через взаимодействие с магнитными монополями, предсказанными GUT . 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, предлагавшими 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 к минимуму 10 ³⁴ ~ 10 ³⁵  лет, исключая более простые GUT (включая минимальные модели SU (5) / Джорджи-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, с максимумом для (минимальных) не-SUSY GUT на уровне 1,4 × 10 ³⁶ лет.

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 от 14+2 ⁄ 3  минуты (610,2 ± 0,8 с ) из-за слабого взаимодействия . Нейтроны, связанные внутри ядра, имеют гораздо более длительный период полураспада - по-видимому, такой же, как у протона.

Прогнозируемые времена жизни протонов

Время жизни протона в ванильном SU (5) наивно можно оценить как . 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 текущему экспериментальному нижнему пределу.

Операторы распада

Операторы распада протона размерности 6

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. Проблему расщепления на триплет . ${\ 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

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 . ${\ displaystyle {\ frac {1} {MM_ {SUSY}}}}$

Операторы распада протона размерности 4

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. ${\ displaystyle {\ frac {1} {M_ {SUSY} ^ {2}}}}$

Смотрите также

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

использованная литература

дальнейшее чтение

• 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 . hdl : 1854 / LU-685594 .
• 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

• Распад протона в Супер-Камиоканде
• Изобразительная история эксперимента IMB
• Лучано Майани (8 февраля 2006 г.). Проблема распада протона (PDF) . Третий международный семинар NO-VE по колебаниям нейтрино в Венеции . Венеция.