Розпад протона

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Перейти до навігації Перейти до пошуку

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.[1] 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[ред. | ред. код]

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. [2]
Більшість теорій великого об'єднання явно порушують симетрію баріонних чисел, яка складатиме цю невідповідность, як правило, посилаючи реакції, опосередковані дуже масивними X-бозонами 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[ред. | ред. код]

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. [3]Нові, попередні результати оцінюють період напіврозпаду не менше 1,29 × 1034 за допомогою позитронного розпаду.[4]
В 2014 результат з 260kT · рік даних, пошук розпаду К-мезонів встановлює нижню межу 5,9 × 1033 рік[5] близький до суперсиметрії (SUSY) прогнозуваної близько 1034 років.[6]

Теоретична мотивація[ред. | ред. код]

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),[3] обидва прямі, і коли каталізувався за допомогою ТВО,-і було передбачено магнітні монополі.[7]. 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)[8] через слабку взаємодію. Нейтрони, всередині ядра, мають набагато більший період піврозпаду - настільки довгий, як і протон.

Оператори розпаду[ред. | ред. код]

6-ти розмірні оператори розпаду протона[ред. | ред. код]

6-ти розмірними операторами розпаду протона є i де Λ є обрізаною величиною 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 ΛGUT може призвести до заборони двох останніх операторів . Обмін триплета Хіггса з масою М може призвести до заборони всіх операторів 1 / М2. Див проблему розщеплення дублет-триплет.

5-ти розмірні оператори розпаду протона[ред. | ред. код]

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 , де MSUSY величина маси суперпартнерів.

4-ти розмірні оператори розпаду протона[ред. | ред. код]

R-parity violating decay.svg

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 qld͂c і ucdcc.
Швидкість розпаду протона визначається що занадто швидко, якщо з'єднання не надто малі.

Див. також[ред. | ред. код]

Посилання[ред. | ред. код]

  1. Radioactive decays by Protons. Myth or reality?, Ishfaq Ahmad, The Nucleus, 1969. pp 69-70
  2. V.M. Abazov (2010). «Evidence for an anomalous like-sign dimuon charge asymmetry». arXiv:1005.2757. 
  3. а б H. Nishino; Super-K Collaboration (2012). Search for Proton Decay via p+e+π0 and p+μ+π0 in a Large Water Cherenkov Detector. Physical Review Letters 102 (14): 141801. Bibcode:2009PhRvL.102n1801N. doi:10.1103/PhysRevLett.102.141801. 
  4. http://www-sk.icrr.u-tokyo.ac.jp/whatsnew/new-20091125-e.html
  5. K. Abe et al. (Super-Kamiokande Collaboration) (14 October 2014). Search for proton decay via p→νK+ using 260  kiloton⋅year data of Super-Kamiokande. Phys. Rev. D 90. Bibcode:2014PhRvD..90g2005A. doi:10.1103/PhysRevD.90.072005. 
  6. Schirber, Michael. Synopsis: Proton Longevity Pushes New Bounds. Physics. American Physical Society. Процитовано 20 October 2014. 
  7. B. V. Sreekantan (1984). Searches for Proton Decay and Superheavy Magnetic Monopoles. Journal of Astrophysics and Astronomy 5 (3): 251–271. Bibcode:1984JApA....5..251S. doi:10.1007/BF02714542. 
  8. W.-M. Yao (2006). Review of Particle Physics – N Baryons. Journal of Physics G 33: 1. Bibcode:2006JPhG...33....1Y. arXiv:astro-ph/0601168. doi:10.1088/0954-3899/33/1/001.