In der Partikel-Physik ist Protonenzerfall eine hypothetische Form des radioaktiven Zerfalls, in dem das Proton in leichtere subatomare Partikeln, wie ein neutraler pion und ein Positron verfällt. Es gibt zurzeit keine experimentellen Beweise, dass Protonenzerfall vorkommt.

Im Standardmodell sind Protone, ein Typ von baryon, theoretisch stabil, weil Baryonenzahl (Quark-Zahl) erhalten wird (unter normalen Verhältnissen; sieh jedoch chiral Anomalie). Deshalb werden Protone in andere Partikeln selbstständig nicht verfallen, weil sie am leichtesten (und deshalb am wenigsten energisch sind) baryon.

Einige vereinigte großartige Mustertheorien außer dem Standard (EINGEWEIDE) brechen ausführlich die Baryonenzahl-Symmetrie, Protonen erlaubend, über die Partikel von Higgs, magnetischen Monopole oder neu X bosons zu verfallen. Protonenzerfall ist einer der wenigen erkennbaren Effekten der verschiedenen vorgeschlagenen EINGEWEIDE. Bis heute haben alle Versuche, diese Ereignisse zu beobachten, gescheitert.

Baryogenesis

Eines der hervorragenden Probleme in der modernen Physik ist das Überwiegen der Sache über die Antimaterie im Weltall. Das Weltall scheint als Ganzes, eine positive Nichtnullbaryonenzahl-Dichte zu haben — d. h. Sache besteht. Da es in der Kosmologie angenommen wird, dass die Partikeln, die wir sehen, mit derselben Physik geschaffen wurden, die wir heute messen, würde es normalerweise erwartet, dass die gesamte Baryonenzahl Null sein sollte, weil Sache und Antimaterie in gleichen Beträgen geschaffen worden sein sollten. Das hat zu mehreren vorgeschlagenen Mechanismen für die Symmetrie geführt, die diese Bevorzugung die Entwicklung der normalen Sache (im Vergleich mit der Antimaterie) unter bestimmten Bedingungen bricht. Diese Unausgewogenheit, wäre auf der Ordnung 1 in jedem (10) Partikeln ein Bruchteil einer Sekunde nach dem Urknall außergewöhnlich klein gewesen, aber nachdem der grösste Teil der Sache und vernichteten Antimaterie, was verlassen wurde, die ganze baryonic Sache im aktuellen Weltall zusammen mit einer viel größeren Zahl von bosons war. Neue Experimente an Fermilab scheinen jedoch zu zeigen, dass diese Unausgewogenheit viel größer ist als vorher angenommen. In einem Experiment, das mit einer Reihe von Partikel-Kollisionen verbunden ist, war der Betrag der erzeugten Sache etwa um 1 % größer als der Betrag der erzeugten Antimaterie. Der Grund für diese Diskrepanz ist noch unbekannt.

Großartigste vereinigte Theorien (EINGEWEIDE) brechen ausführlich die Baryonenzahl-Symmetrie, die für diese Diskrepanz verantwortlich sein würde, normalerweise hat das Anrufen von Reaktionen durch den sehr massiven X bosons oder massiver Higgs bosons vermittelt. Die Rate, an der diese Ereignisse vorkommen, wird größtenteils durch die Masse des Zwischengliedes oder der Partikeln geregelt, so durch das Annehmen dieser Reaktionen sind für die Mehrheit der Baryonenzahl gesehen heute verantwortlich, kann eine maximale Masse berechnet werden, über dem die Rate zu langsam sein würde, um die Anwesenheit der Sache heute zu erklären. Diese Schätzungen sagen voraus, dass ein großes Volumen des Materials gelegentlich einen spontanen Protonenzerfall ausstellen wird.

Experimentelle Beweise

Protonenzerfall ist einer der wenigen unbemerkten Effekten der verschiedenen vorgeschlagenen EINGEWEIDE, der andere Major ein, magnetische Monopole seiend. Beide sind der Fokus von experimentellen Hauptphysik-Anstrengungen geworden, die am Anfang der 1980er Jahre anfangen. Protonenzerfall, war einige Zeit, ein äußerst aufregendes Gebiet der experimentellen Physik-Forschung. Bis heute haben alle Versuche, diese Ereignisse zu beobachten, gescheitert. Neue Experimente am Super-Kamiokande Wasser Strahlenentdecker von Cherenkov in Japan haben niedrigere Grenzen für die Protonenhalbwertzeit, an 90-%-Vertrauensniveau, Jahre über den Antimuon-Zerfall und Jahre über den Positron-Zerfall vorgeschrieben. Neuere, einleitende Ergebnisse schätzen eine Halbwertzeit nicht weniger als Jahre über den Positron-Zerfall.

Theoretische Motivation

Trotz des Mangels an Beobachtungsbeweisen für den Protonenzerfall verlangen einige großartige Vereinigungstheorien, wie das Modell von Georgi-Glashow, es. Gemäß einigen solchen Theorien hat das Proton eine Halbwertzeit von ungefähr Jahren, und verfällt in einen Positron und einen neutralen pion, der selbst sofort in 2 Gammastrahl-Fotonen verfällt:

:

Da ein Positron ein antilepton ist, bewahrt dieser Zerfall B-L Zahl, die in den meisten EINGEWEIDEN erhalten wird.

Zusätzliche Zerfall-Weisen sind verfügbar (z.B:  +), sowohl direkt als auch wenn katalysiert, über die Wechselwirkung mit Eingeweide-vorausgesagten magnetischen Monopolen. Obwohl dieser Prozess experimentell nicht beobachtet worden ist, ist es innerhalb des Bereichs der experimentellen Testbarkeit für geplante sehr groß angelegte Entdecker der Zukunft auf der Megatonne-Skala. Solche Entdecker schließen den Hyper-Kamiokande ein.

Früh haben großartige Vereinigungstheorien, wie das Modell von Georgi-Glashow, die die ersten konsequenten Theorien waren, Protonenzerfall anzudeuten, verlangt, dass die Halbwertzeit des Protons mindestens 10 Jahre sein würde. Da weitere Experimente und Berechnungen in den 1990er Jahren durchgeführt wurden, ist es klar geworden, dass die Protonenhalbwertzeit unter 10 Jahren nicht liegen konnte. Viele Bücher von dieser Periode beziehen sich auf diese Zahl für die mögliche Zerfall-Zeit für die baryonic Sache.

Obwohl das Phänomen "Protonenzerfall" genannt wird, würde die Wirkung auch in innerhalb von Atomkernen gebundenen Neutronen gesehen. Wie man bereits bekannt, verfallen freie Neutronen — diejenigen nicht innerhalb eines Atomkerns — in Protone (und ein Elektron und ein Antineutrino) in einem Prozess genannt Beta-Zerfall. Freie Neutronen haben eine Halbwertzeit von ungefähr 10 Minuten wegen der schwachen Wechselwirkung. Innerhalb eines Kerns gebundene Neutronen haben eine unermesslich längere Halbwertzeit — anscheinend so groß wie dieses des Protons.

Zerfall-Maschinenbediener

Dimension 6 Protonenzerfall-Maschinenbediener

Die Dimension, die 6 Protonenzerfall-Maschinenbediener sind, und wo Λ die Abkürzungsskala für das Standardmodell ist. Alle diese Maschinenbediener verletzen sowohl Baryonenzahl (B) als auch lepton Bewahrung Nummer (L), aber nicht die Kombination B  L.

In EINGEWEIDE-Modellen kann der Austausch eines X oder Y boson mit der Masse Λ zu den letzten zwei Maschinenbedienern führen, die dadurch unterdrückt sind. Der Austausch eines Drillings Higgs mit der MassenM kann zu allen Maschinenbedienern führen, die durch 1/M unterdrückt sind. Sieh Dublette-Drilling Problem spalten.

Image:Proton_decay2.svg|Dimension 6 Protonenzerfall hat durch die X boson (3,2) in SU (5) EINGEWEIDE vermittelt

Image:proton decay3.svg|Dimension 6 Protonenzerfall hat durch die X boson (3,2) in geschnipstem SU (5) EINGEWEIDE vermittelt

Image:proton decay4.svg|Dimension 6 Protonenzerfall hat durch den Drilling Higgs T (3,1) und den Antidrilling Higgs (1) in SU (5) EINGEWEIDE vermittelt

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Dimension 5 Protonenzerfall-Maschinenbediener

In supersymmetrischen Erweiterungen (wie der MSSM) können wir auch Dimension 5 Maschinenbediener haben, die zwei fermions und zwei sfermions einschließen, die durch den Austausch eines tripletino der MassenM verursacht sind. Der sfermions wird dann einen gaugino oder Higgsino oder gravitino das Verlassen von zwei fermions austauschen. Das gesamte Diagramm von Feynman hat eine Schleife (und andere Komplikationen wegen der starken Wechselwirkungsphysik). Diese Zerfall-Rate wird dadurch unterdrückt, wo M die Massenskala der Superpartner ist.

Dimension 4 Protonenzerfall-Maschinenbediener

Ohne Sache-Gleichheit können supersymmetrische Erweiterungen des Standardmodells den letzten durch das umgekehrte Quadrat der sdown Quark-Masse unterdrückten Maschinenbediener verursachen. Das ist wegen der Dimension 4 Maschinenbediener

und

.

Die Protonenzerfall-Rate wird nur unterdrückt, durch den zu schnell ist, wenn die Kopplungen nicht sehr klein sind.

Siehe auch

• Virtuelles schwarzes Loch
• Schwache Hyperanklage
• BL
• X und Y bosons

Weiterführende Literatur

Links

• Protonenzerfall an Super-Kamiokande
• Die bildliche Geschichte des IMB experimentiert