Распад протона - Proton decay

Образец слабые изоспины, слабые гиперзаряды, и цветные обвинения для частиц в Георги – Глэшоу модель. Здесь протон, состоящий из двух верхних кварков и низа, распадается на пион, состоящий из верхнего и анти-верхнего, и позитрон через X-бозон с электрическим зарядом -⁴/₃.

В физика элементарных частиц, распад протона это гипотетический форма распад частиц в которой протон распадается на светлее субатомные частицы, например нейтральный пион и позитрон.^[1] Гипотеза распада протона была впервые сформулирована Андрей Сахаров в 1967 году. Несмотря на значительные экспериментальные усилия, распад протона никогда не наблюдался. Если он распадается через позитрон, период полураспада протона должен быть не менее 1.67×10³⁴ годы.^[2]

Согласно Стандартная модель, протоны, тип барион, стабильны, потому что барионное число (число кварка ) является консервированный (при нормальных обстоятельствах; см. хиральная аномалия за исключением). Следовательно, протоны не будут распадаться на другие частицы сами по себе, потому что они - самый легкий (и, следовательно, наименее энергичный) барион. Позитронное излучение - форма радиоактивный распад при котором протон становится нейтроном - это не распад протона, поскольку протон взаимодействует с другими частицами внутри атома.

Некоторая нестандартная модель теории великого объединения (GUT) явно нарушают симметрию барионного числа, позволяя протонам распадаться через Частица Хиггса, магнитные монополи, или новый X-бозоны с периодом полураспада 10³¹ до 10³⁶ годы. Для сравнения Вселенная примерно 10¹⁰ лет^[3]. На сегодняшний день все попытки наблюдать новые явления, предсказываемые GUT (такие как распад протона или существование магнитных монополей), потерпели неудачу.

Квантовая гравитация (через виртуальные черные дыры и Радиация 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 суперсимметрия.

Существуют теоретические методы нарушения барионов, кроме распада протона, включая взаимодействия с изменениями барионного и / или лептонного числа, отличными от 1 (как требуется при распаде протона). К ним относятся B и / или L нарушения 2, 3 или других номеров, или B − L нарушение. К таким примерам относятся нейтронные осцилляции и электрослабая сфалерон аномалия при высоких энергиях и температурах, которые могут возникнуть между столкновением протонов в антилептоны^[4] или наоборот (ключевой фактор в лептогенез и бариогенез не-GUT).

Бариогенез

Нерешенная проблема в физике: У протонов разлагаться ? Если да, то какой период полураспада ? Может энергия связи ядра повлиять на это? (больше нерешенных задач по физике)

Одна из нерешенных проблем современной физики - преобладание иметь значение над антивещество в вселенная. Кажется, что Вселенная в целом имеет ненулевую положительную плотность барионного числа, то есть материя существует. Поскольку в космология что частицы, которые мы видим, были созданы с использованием той же физики, которую мы измеряем сегодня, обычно следует 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 для нарушение симметрии которые способствуют созданию нормальной материи (в отличие от антивещества) при определенных условиях. Этот дисбаланс был бы исключительно малым, порядка 1 в каждом 10000000000 (10¹⁰) частиц через малую долю секунды после Большого взрыва, но после того, как большая часть вещества и антивещества аннигилировала, то, что осталось, было всей барионной материей в текущей Вселенной, а также гораздо большим количеством бозоны.

Большинство теорий великого единства явно нарушают барионное число симметрии, которая могла бы объяснить это несоответствие, обычно вызывая реакции, опосредованные очень массивными X-бозоны (
Икс
) или массивный 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

Распад протона является одним из ключевых предсказаний различных теорий великого объединения (GUT), предложенных в 1970-х годах, еще одним важным предсказанием является существование магнитные монополи. 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; тем не менее, эти эксперименты смогли установить нижнюю границу периода полураспада протона. В настоящее время наиболее точные результаты дают Супер-Камиоканде воды Черенковское излучение детектор в Японии: анализ 2015 года установил нижнюю границу периода полураспада протона 1.67×10³⁴ лет через распад позитрона,^[2] и аналогично, анализ 2012 года дал нижнюю границу периода полураспада протона 1.08×10³⁴ лет через антимюон разлагаться,^[5] близко к суперсимметрия (SUSY) предсказание 10³⁴–10³⁶ годы.^[6] Обновленная версия, Гипер-Камиоканде, вероятно, будет иметь чувствительность в 5–10 раз лучше, чем Супер-Камиоканде.^[2]

Теоретическая мотивация

Несмотря на отсутствие наблюдательных доказательств распада протона, некоторые теории великого объединения, такой как SU (5) Георги – Глэшоу модель и ТАК (10), наряду с их суперсимметричными вариантами, требуют этого. Согласно таким теориям, протон имеет период полураспада около 10³¹ до 10³⁶ лет и распадается на позитрон и нейтральный пион что само сразу распадается на 2гамма-луч фотоны:

Поскольку позитрон является антилептон этот распад сохраняет B − L число, которое сохраняется в большинстве GUTс.

Доступны дополнительные режимы распада (например:
п⁺
→
μ⁺
+
π⁰
),^[5] как напрямую, так и при катализе через взаимодействие с GUT-прогнозированный магнитные монополи.^[7] Хотя этот процесс не наблюдался экспериментально, он находится в области экспериментальной проверки для будущих планируемых очень крупномасштабных детекторов мегатонного масштаба. К таким детекторам относятся: Гипер-Камиоканде.

Рано теории великого объединения (GUT), такие как Георги – Глэшоу модель, которые были первыми последовательными теориями, предложившими распад протона, постулировали, что период полураспада протона будет не менее 10³¹ годы. По мере проведения дальнейших экспериментов и расчетов в 1990-х годах стало ясно, что период полураспада протона не может быть ниже 10³² годы. 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 10³⁴-10³⁵ лет, исключая более простые GUT (включая минимальные SU (5) / Джорджи – Глэшоу) и большинство не-SUSY-моделей. Максимальный верхний предел времени жизни протона (если он нестабилен) рассчитывается как 6 × 10³⁹ лет, что применимо к моделям SUSY,^[8] с максимумом для (минимальных) не-SUSY GUT при 1,4 × 10³⁶ годы.^[9]

Хотя это явление называется «распад протона», эффект также будет заметен в нейтроны связаны 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-распад. Свободные нейтроны имеют период полураспада около 10 минут (610.2±0,8 с)^[10] из-за слабое взаимодействие. Нейтроны, связанные внутри ядра, имеют гораздо более длительный период полураспада - очевидно, такой же, как у протона.

Прогнозируемые времена жизни протонов

Время жизни протона в ванильном SU (5) наивно можно оценить как ${displaystyle au _ {p} sim {frac {M_ {X} ^ {4}} {m_ {p} ^ {5}}}}$.^[12] Суперсимметричные GUT с масштабами воссоединения вокруг µ ~ 2×10¹⁶ ГэВ /c² дают срок службы около 10³⁴ год, примерно текущая экспериментальная нижняя граница.

Операторы распада

Операторы распада протона размерности 6

В измерение -6 операторов распада протона являются ${displaystyle {frac {qqql} {Lambda ^ {2}}}}$, ${displaystyle {frac {d ^ {c} u ^ {c} u ^ {c} e ^ {c}} {лямбда ^ {2}}}}$, ${displaystyle {frac {{overline {e ^ {c}}} {overline {u ^ {c}}} qq} {Lambda ^ {2}}}}$ и ${displaystyle {frac {{overline {d ^ {c}}} {overline {u ^ {c}}} ql} {Lambda ^ {2}}}}$ куда ${displaystyle Lambda}$ это шкала отсечки для Стандартная модель. Все эти операторы нарушают оба барионное число (B) и лептонное число (L) сохранение, но не сочетание B − L.

В GUT моделей, обмен X или Y бозон с массой Λ_GUT может привести к тому, что последние два оператора будут подавлены ${displaystyle {frac {1} {Lambda _ {GUT} ^ {2}}}}$. Обмен тройки Хиггса с массой ${displaystyle M}$ может привести к подавлению всех операторов ${displaystyle {frac {1} {M ^ {2}}}}$. Видеть проблема расщепления дублет-триплет.

• Распад протона. Эти рисунки относятся к X-бозоны и Бозоны Хиггса.
• 

  Распад протона размерности-6 опосредован
  X-бозон (3,2)
  _{−​⁵⁄6} в SU (5) GUT

• 

  Распад протона размерности-6 опосредован
  X-бозон (3,2)
  _​¹⁄6 в перевернутом SU (5) GUT

• 

  Распад протона размерности-6 опосредован
  тройка Хиггса T (3,1)
  _−​¹⁄3 и
  антитриплет Хиггса Т (3,1)
  _​¹⁄3 в SU (5) GUT

Операторы распада протона размерности 5

В суперсимметричный расширения (такие как MSSM ), мы также можем иметь операторы размерности 5, содержащие два фермиона и два сфермионы вызвано обменом триптино массы M. Затем сфермионы обменяются Гаудино или же Хиггсино или же Gravitino оставив два фермиона. Общая Диаграмма Фейнмана имеет петлю (и другие сложности из-за физики сильного взаимодействия). Эта скорость распада подавляется ${displaystyle {frac {1} {MM_ {SUSY}}}}$ куда M_SUSY это массовый масштаб суперпартнеры.

Операторы распада протона размерности 4

В отсутствие паритет вопроса, суперсимметричные расширения Стандартной модели могут привести к последнему оператору, подавленному обратным квадратом обидеться масса кварка. Это связано с операторами размерности 4
q

ℓ

d͂
^c и
ты
^c
d
^c
d͂
^c.

Скорость распада протона подавляется только ${displaystyle {frac {1} {M_ {SUSY} ^ {2}}}}$ что слишком быстро, если только муфты не очень маленькие.

Смотрите также

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

Рекомендации

дальнейшее чтение

• К. Амслер; Группа данных о частицах (2008). "Обзор физики элементарных частиц - N Барионы » (PDF). Письма по физике B. 667 (1): 1–6. Bibcode:2008ФЛБ..667 .... 1А. Дои:10.1016 / j.physletb.2008.07.018.
• К. Хагивара; Группа данных о частицах (2002). "Обзор физики элементарных частиц - N Барионы » (PDF). Физический обзор D. 66 (1): 010001. Bibcode:2002ПхРвД..66а0001Н. Дои:10.1103 / PhysRevD.66.010001.
• Ф. Адамс; Г. Лафлин (19.06.2000). Пять возрастов Вселенной: изнутри 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 C. 27 (2): 321–323. Bibcode:1985ZPhyC..27..321W. Дои: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:2007ФР ... 441..191Н. Дои:10.1016 / j.physrep.2007.02.010. S2CID  119542637.

внешняя ссылка

• 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.