Користувач:Lyubomyr93/Чернетка

Ця стаття є про розпад протонів в субатомних частинках. Для радіоактивного типу розпаду, в якому ядро виділяє протон, було виявлено випромінювання протона

Шаблон слабкого ізоспіна з слабким гіперзарядом і кольором заряду частинок в моделі Георгія-Глешоу. Тут, протон, що складається з двох кварків Up і кварка down, розпадається на пі-мезон, що складається з Up, anti-Up і позитрона, через Х-бозон із електричним зарядом -4/3

У фізиці елементарних частинок, розпад протона є гіпотетичною формою радіоактивного розпаду, в якій протон розпадається на більш легкі субатомні частинки, такі як нейтральний піон і позитрон. На сьогодні немає експериментальних підтверджень, що розпад протона відбувається.

У Стандартйні Моделі, протони, баріонного типу, є стабільними, оскільки баріонний заряд (число кварків) зберігається (в нормальних умовах, однак, є і аномальні випадки). Таким чином, протони не будуть розпадатися на інші частинки самостійно, тому що вони є найлегшими (а отже, найменш енергетичними) баріонами.
Дещо поза Стандартною Моделлю теорії великого об'єднання (ТВО) явно порушує симетрію числа баріонів, що дозволяє протонам розпадаються з допомогою частинки Хіггса, магнітних монополів або нових X бозонів. Розпад протона є одним з небагатьох неспостережуваних ефектів запропонованих ТВО. На сьогоднішній день, спостерігти це явище не вдалося.

Баріогенезис

Основна стаття: баріогенезис
Одною з невирішених проблем в сучасній фізиці є переважання матерії над антиматерією у Всесвіті. Всесвіт, в цілому, має ненульовий позитивний баріонний номер густини — тобто, матерія існує. Так як передбачається, в космології, що частинки, які ми бачимо, були створені з використанням тої ж фізики, якою ми користуємося сьогодні, як правило, можна було б очікувати, що загальне число баріонів має дорівнювати нулю, як матерія і антиматерія повинні були створеними в рівних кількостях. Це призводить до численних пропозицій механізмів порушення симетрії, які сприяють створенню нормальної матерії (на відміну від антиматерії) за певних умов. Цей дисбаланс був би надзвичайно малим, порядку 1 в кожній 10 000 000 000 (10¹⁰) частинці є малою часткою секунди після Великого Вибуху, але після того як більшість з матерії і антиматерії знищилося, те, що залишилося було баріонною матерією в сучасному всесвіті, поряд з набагато більшим числом бозонів. Експерименти, представлені в 2010 році в лабораторії Фермі, показали, що цей дисбаланс набагато більше, ніж передбачалося раніше. В експерименті, що включає ряд частинкових зіткнень, кількість виділеної матерії становило приблизно на 1% більше, ніж кількість виділеної антиматерії. Причина цієї розбіжності поки невідомі.
Більшість теорій великого об'єднання явно порушують симетрію баріонних чисел, яка складатиме цю невідповідность, як правило, посилаючи реакції, опосередковані дуже масивними Х бозонами(Х) або масивних бозонів Хіггса (H⁰). Швидкість, з якою ці події відбуваються в значній мірі визначається масою проміжного X або H⁰ частинки, так що, якщо припустити, що ці реакції відповідальні за більшість баріонних чисел побачених сьогодні, максимальна маса може бути обчислена, вище якої буде відбуватися занадто повільно, щоб пояснити наявність матерії сьогодні. Ці оцінки передбачають, що великий обсяг матеріалу іноді проявляють спонтанний розпад протона.

Експериментальні дані

Розпад протона є одним з небагатьох неспостережуваних ефектів різних запропонованих ТВО, ще одне важливе явище з яких є магнітні монополі. Вони стали в центрі уваги великих експериментальних робіт з фізики, починаючи з початку 1980-х. Розпад протона, на цей час, був надзвичайно захоплюючою область експериментальних досліджень в фізиці. На сьогоднішній день, всі спроби спостерігати ці явища є невдалими. Недавні експерименти на Супер-Каміоканде води детектором випромінювання Черенкова в Японії дав низькі межі для піврозпаду протонів, на 90% конфіденційний рівнень, 6,6 × 10³³ років через антимюонний розпад і 8,2 × 10³³ років через позитронний розпад. Нові, попередні результати оцінюють період напіврозпаду не менше 1,29 × 10³⁴ за допомогою позитронного розпаду.
В 2014 результат з 260kT · рік даних, пошук розпаду К-мезонів встановлює нижню межу 5,9 × 10³³ рік близький до суперсиметрії (SUSY) прогнозуваної близько 10³⁴ років.

Теоретична мотивація

Незважаючи на відсутність даних спостережень для розпаду протона, деякі теорії великого об'єднання, такі як моделі Георгі-Глешоу, потребують його. На думку деяких подібних теорій, протон має період напіврозпаду близький до 10³⁶ років, і розпадається на позитрон і нейтральний піон, що сам по собі відразу розпадається на 2 гамма-квантові фотони:
p⁺ → e⁺ + π⁰
π⁰ → 2γ
Оскільки позитрон є антилептоном, цей розпад зберігає B-L номер, який зберігається в більшості ТВО.
Доступні також додаткові режими розпаду (наприклад: р⁺ → μ⁺ + π⁰), обидва прямі, і коли каталізувався за допомогою ТВО,-і було передбачено магнітні монополі.. Хоча цей процес не спостерігався експериментально, він знаходиться в межах області експериментальної перевірки для майбутньо планованих наймасштабніших детекторів за шкалою мегатонн. Такі детектори включають Гіпер-Каміоканде.

Ранні теорії великого об'єднання, такі як моделі Георгі-Глешоу були першими послідовними теоріями про розпад протона, що постулювли період напіврозпаду протона щонайменше в 10³¹ років. Коли подальші експерименти і розрахунки були виконані в 1990-х роках, стало очевидним, що напіврозпад протона не може бути коротшим 10³² років. Багато книг з цього періоду обсуджують це явище можливим часом загасання для баріонної матерії.

Хоча це явище називається "розпад протона", ефект також буде розглядатися в нейтронах, всередині атомних ядер. Вільні нейтрони - ті, що не всередині атомного ядра, як вже відомо, розпадаються на протони (також електрон і антинейтрино) в процесі, званому бета-розпад. Вільні нейтрони мають період напіврозпаду близький 10 хвилинам (613,9 ± 0,8 с) через слабку взаємодію. Нейтрони, всередині ядра, мають набагато більший період піврозпаду - настільки довгий, як і протон.

Оператори розпаду

6-ти розмірні оператори розпаду протона

6-ти розмірними операторами розпаду протона є ${\frac {qqql}{\Lambda ^{2}}},{\frac {d^{c}u^{c}u^{c}e^{c}}{\Lambda ^{2}}},{\frac {{\overline {e^{c}}}{\overline {u^{c}}}qq}{\Lambda ^{2}}}$ i ${\frac {{\overline {d^{c}}}{\overline {u^{c}}}ql}{\Lambda ^{2}}}$ де Λ є обрізаною величоною для Стандартної Моделі. Всі ці оператори порушують число баріонів (B) і число лептонів (L), але не в поєднанні B - L.

У моделях ТВО, обмін Х або Y-бозона з масою Λ_GUT може призвести до заборони двох останніх операторів ${\frac {1}{\Lambda _{GUT}^{2}}}$. Обмін триплета Хіггса з масою М може призвести до заборони всіх операторів 1 / М². Див проблему розщеплення дублет-триплет.

• Розпад протона. Ці графіки відносяться до бозонів Х і Бозонів Хігса.
• 
  6-ти розмірний оператор розпаду протона за участі X бозона (3,2)
  _−⁵⁄6 в SU(5) ТВО
• 
  6-ти розмірний оператор розпаду протона за участі X бозона (3,2)
  _¹⁄6 при ударі SU(5) ТВО
• 
  6-ти розмірний оператор розпаду протона в триплеті Хігса T (3,1)
  _−¹⁄3 і анти-триплеті Хігса T (3,1)
  _¹⁄3 в SU(5) ТВО

5-ти розмірні оператори розпаду протона

У суперсиметричних розширеннях (наприклад, МССМ), ми також можемо мати 5-ти розмірниі оператори, що містять два ферміони і два сферміони, викликані обміном триплетів маси М. В сферміонах, буде обмін гайджіно, хіггсіно або гравітіно залишаючи два ферміони. Загальна діаграма Фейнмана має петлю (та інші ускладнення, зумовлені фізикою сильних взаємодій). Це швидкість забороненого розпаду ${\frac {1}{MM_{SUSY}}}$, де M_SUSY величина маси суперпартнерів.

4-ти розмірні оператори розпаду протона

У відсутність парності матерії, суперсиметричне розширення Стандартної Моделі може призвести до заборони в останньому операторі квадрата маси нижнього кварка. Це пов'язано з розмірністю-4 операторів qld͂^c і u^cd^cd͂^c.
Швидкість розпаду протона визначається ${\frac {1}{M_{SUSY}^{2}}}$ що занадто швидко, якщо з'єднання не надто малі.

Див. також

• Віртуальна чорна діра
• Слабкий гіперзаряд
• B − L
• X і Y-бозони