Ця стаття є про розпад протонів в субатомних частинках. Для радіоактивного типу розпаду, в якому ядро виділяє протон, див. протонний розпад.
У фізиці елементарних частинок, розпад протона є гіпотетичною формою радіоактивного розпаду, в якій протон розпадається на легші субатомні частинки, такі як нейтральний піон і позитрон. На сьогодні немає експериментальних підтверджень, що розпад протона відбувається.
У Стандартній моделі, протони, що входять до класу баріонів, є стабільними, оскільки баріонне число (число кварків) зберігається (в нормальних умовах, однак, є і аномальні випадки). Таким чином, протони не можуть розпадатися на інші частинки самостійно, оскільки вони є найлегшими (а отже, найменш енергетичними) баріонами.
Деякі теорії великого об'єднання (ТВО) поза Стандартною моделлю явно порушують симетрію баріонного числа, що дозволяє протонам розпадатися з допомогою частинки Хіггса, магнітних монополів або нових X-бозонів. Розпад протона є одним з ефектів запропонованих ТВО, які не вдалось виявити в експерименті. Однак, існують теоретичні моделі порушення закону збереження баріонного числа без розпаду протона. Серед прикладів можна навести гіпотетичні осциляції нейтронів-антинейтронів, або процес під назвою "[en]", що очікується при надзвичайно високих енергіях та полягає в перетворенні протонів в анти-лептони та навпаки.
Баріогенезис
Одною з невирішених проблем в сучасній фізиці є причина переважання матерії над антиматерією у Всесвіті. Всесвіт, в цілому, має ненульову позитивну густину баріонного числа — тобто, він створений з матерії, а не антиматерії. В космології панує думка, що частинки, які ми спостерігаємо у Всесвіті в наш час, були створені тими ж законами фізики, якими ми користуємося сьогодні. В такому випадку, можна було б очікувати, що загальне число баріонів має дорівнювати нулю, оскільки матерія і антиматерія мали бути утвореними у Великому Вибуху в рівних кількостях. Цей парадокс є приводом до численних запропонованих механізмів порушення симетрії, які сприяють створенню звичайної матерії (а не антиматерії) за певних умов. Навіть якби ця асиметрія була би надзвичайно малою за частку секунди після Великого Вибуху, порядку 1 частинки з кожних 10 000 000 000 (1010), – після того, як більшість з матерії і антиматерії анігілювало, те, що залишилося створило б баріонну матерію в сучасному всесвіті, поряд з значно більшим числом бозонів.
Експерименти, представлені в 2010 році в лабораторії Фермі, показали, що цей дисбаланс може бути набагато більшим, ніж передбачалося раніше. У зіткненнях протонів та антипротонів, кількість виділеної матерії становило приблизно на 1% більше, ніж кількість виділеної антиматерії. Причина цієї розбіжності поки невідома, цей результат також поки що не є підтвердженим іншими експериментами.
Більшість теорій великого об'єднання явно порушують закон збереження баріонного числа, що дозволило б пояснити відмінність матерії та антиматерії. Як правило, в таких теоріях розглядається обмін дуже масивними X-бозонами або бозонами Хіггса (H0). Швидкість, з якою ці події відбуваються, в значній мірі визначається масою проміжного X або H0 бозона. Отже, якщо припустити, що ці реакції відповідальні за існування сьогоденної баріонної матерії, можна обчислити максимальну масу частинки, вище якої буде процес відбуватиметься занадто повільно, щоб пояснити кількість матерії у наш час. Ці оцінки передбачають, що у достатньо великій кількості матерії іноді проявляється спонтанний розпад протона.
Експериментальні дані
Розпад протона є одним з небагатьох передбачених ефектів різних запропонованих ТВО, які не вдалося підтвердити експериментально. Іншим прикладом таких ефектів є магнітні монополі. Вони стали в центрі уваги великих експериментальних робіт з фізики, починаючи з початку 1980-х. Розпад протона на той час був надзвичайно захоплюючою областю експериментальних досліджень в фізиці. Станом на сьогодні[], всі спроби спостерігати ці явища є невдалими. Найточніші результати походять з експерименту на водному детекторі черенковського випромінювання Супер-Каміоканде, що розташований в Японії. Найнижча межа для періоду напіврозпаду протонів була встановлена у 1,67×1034 років через позитронний розпад, та у 1,08×1034 років через анти-мюонний розпад, що наближається до передбачень теорії суперсиметрії у 1034–1036 років. Модернізований детектор Гіпер-Каміоканде та інші зможуть уточнити ці результати в 5–10 разів. Для порівняння, вік Всесвіту оцінюється у приблизно 1010 років.
Теоретична мотивація
Незважаючи на відсутність експериментальних спостережень розпаду протона, деякі теорії великого об'єднання, такі як моделі Джорджі-Ґлешоу, 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-кванти:
- p+ → e+ + π0
- π0 → 2γ
Оскільки позитрон є антилептоном, цей розпад зберігає квантове число B-L, яке зберігається в більшості ТВО.
Доступні також додаткові режими розпаду (наприклад, анти-мюонний р+ → μ+ + π0), як напряму, так (в Теоріях великого об'єднання) і через магнітні монополі.. Хоча жоден з цих процесів не спостерігався експериментально, він є в межах області чутливості майбутніх наймасштабніших детекторів вагою в кілька мегатонн, таких як Hyper-Kamiokande.
Ранні теорії великого об'єднання, такі як моделі Джорджі-Ґлешоу, були першими послідовними теоріями розпаду протона, що постулювали період напіврозпаду протона щонайменше в 1031 років. Коли подальші експерименти і розрахунки були виконані в 1990-х роках, стало очевидним, що період напіврозпаду протона не може бути коротшим за 1032 років. Багато книг з цього періоду розглядають період у 1032 років можливим типовим часом загасання баріонної матерії.
Хоча це явище називається "розпад протона", ефект також може проявлятися в нейтронах, що зв'язані всередині атомних ядер. Вільні нейтрони — ті, що не є всередині атомного ядра, як вже відомо, розпадаються на протони (а також електрон і антинейтрино) в процесі, відомому як бета-розпад. Вільні нейтрони мають період напіврозпаду близько 10 хвилин (613,9 ± 0,8 с) через слабку взаємодію. Нейтрони, зв'язані у атомному ядрі, мають набагато більший період піврозпаду — настільки ж довгий, як і у протона.
Оператори розпаду
Оператори розпаду протона розмірності–6
Операторами розпаду протона розмірності–6 є i , де Λ є типовим масштабом енергії для Стандартної моделі. Всі ці оператори порушують баріонне (B) і лептонне число (L), але не їх поєднання B - L.
У моделях ТВО, обмін Х або Y-бозоном з масою ΛGUT може призвести до пригнічення двох останніх операторів членом . Обмін триплетним бозоном Хіггса з масою М може призвести до пригнічення всіх операторів, пропорційних до 1/М2.
- Оператор розпаду протона розмірності–6 за участі X-бозона (3,2)
−5⁄6 в SU(5) ТВО - Оператор розпаду протона розмірності–6 за участі X-бозона (3,2)
1⁄6 при ударі SU(5) ТВО - Оператор розпаду протона розмірності–6 за участю триплету бозонів Хіггса T (3,1)
−1⁄3 і анти-триплету T (3,1)
1⁄3 в SU(5) ТВО
Оператори розмірності–5 розпаду протона
У суперсиметричних розширеннях Стандартної моделі (наприклад, ), ми також можемо мати оператори розмірності 5, що пов'язують два ферміони і два сферміони, з допомогою обміну суперсиметричної частинки маси М. Сферміонах можуть обмінюватись , або гравітіно, перетворюючись на два ферміони. В такому випадку, діаграма Фейнмана матиме петлю (та інші ускладнення, зумовлені фізикою сильних взаємодій). Через це, швидкість такого розпаду буде пропорційна до , де MSUSY – величина маси суперпартнерів.
Оператори розмірності–4 розпаду протона
У разі відсутності R-парності, суперсиметричне розширення Стандартної моделі може призвести до пригнічення останнього оператора, оскільки він містить в знаменнику квадрат маси нижнього скварка. Це пов'язано з розмірністю-4 операторів q l d͂c та uc dc d͂c.
Швидкість розпаду протона в такому випадку пропорційна до , що є занадто швидко порівняно з віком Всесвіту, якщо константи зв'язку не надто малі.
Див. також
Посилання
- Radioactive decays by Protons. Myth or reality?, , The Nucleus, 1969. pp 69-70
- V.M. Abazov та ін. (2010). Evidence for an anomalous like-sign dimuon charge asymmetry. arXiv:1005.2757.
- . CERN Courier (брит.). 20 липня 2010. Архів оригіналу за 1 лютого 2021. Процитовано 27 січня 2021.
- . CERN Courier (брит.). 8 травня 2019. Архів оригіналу за 2 лютого 2021. Процитовано 27 січня 2021.
- Nishino, H.; Clark, S.; Abe, K.; Hayato, Y.; Iida, T.; Ikeda, M.; Kameda, J.; Kobayashi, K.; Koshio, Y. (8 квітня 2009). Search for Proton Decay via p → e + π 0 and p → μ + π 0 in a Large Water Cherenkov Detector. Physical Review Letters (англ.). Т. 102, № 14. с. 141801. doi:10.1103/PhysRevLett.102.141801. ISSN 0031-9007. Процитовано 27 січня 2021.
- Francis, Matthew R. . symmetry magazine (англ.). Архів оригіналу за 16 січня 2021. Процитовано 27 січня 2021.
- H. Nishino; Super-K Collaboration (2012 04 05). 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. - (1984). (PDF). . 5 (3): 251—271. Bibcode:1984JApA....5..251S. doi:10.1007/BF02714542. Архів оригіналу (PDF) за 24 вересня 2015. Процитовано 30 листопада 2015.
- W.-M. Yao та ін. (2006). (PDF). . 33: 1. arXiv:astro-ph/0601168. Bibcode:2006JPhG...33....1Y. doi:10.1088/0954-3899/33/1/001. Архів оригіналу (PDF) за 25 січня 2017. Процитовано 30 листопада 2015.
Вікіпедія, Українська, Україна, книга, книги, бібліотека, стаття, читати, завантажити, безкоштовно, безкоштовно завантажити, mp3, відео, mp4, 3gp, jpg, jpeg, gif, png, малюнок, музика, пісня, фільм, книга, гра, ігри, мобільний, телефон, android, ios, apple, мобільний телефон, samsung, iphone, xiomi, xiaomi, redmi, honor, oppo, nokia, sonya, mi, ПК, web, Інтернет
Cya stattya ye pro rozpad protoniv v subatomnih chastinkah Dlya radioaktivnogo tipu rozpadu v yakomu yadro vidilyaye proton div protonnij rozpad Spivvidnoshennya slabkogo izospina z slabkim giperzaryadom i kolorovim zaryadom dlya chastinok v en V takij modeli proton sho skladayetsya z dvoh u kvarkiv i odnogo d kvarka rozpadayetsya na pi mezon sho skladayetsya z u kvarka ta u antikvarka ta pozitron cherez novij H bozon iz elektrichnim zaryadom 4 3 U fizici elementarnih chastinok rozpad protona ye gipotetichnoyu formoyu radioaktivnogo rozpadu v yakij proton rozpadayetsya na legshi subatomni chastinki taki yak nejtralnij pion i pozitron Na sogodni nemaye eksperimentalnih pidtverdzhen sho rozpad protona vidbuvayetsya U Standartnij modeli protoni sho vhodyat do klasu barioniv ye stabilnimi oskilki barionne chislo chislo kvarkiv zberigayetsya v normalnih umovah odnak ye i anomalni vipadki Takim chinom protoni ne mozhut rozpadatisya na inshi chastinki samostijno oskilki voni ye najlegshimi a otzhe najmensh energetichnimi barionami Deyaki teoriyi velikogo ob yednannya TVO poza Standartnoyu modellyu yavno porushuyut simetriyu barionnogo chisla sho dozvolyaye protonam rozpadatisya z dopomogoyu chastinki Higgsa magnitnih monopoliv abo novih X bozoniv Rozpad protona ye odnim z efektiv zaproponovanih TVO yaki ne vdalos viyaviti v eksperimenti Odnak isnuyut teoretichni modeli porushennya zakonu zberezhennya barionnogo chisla bez rozpadu protona Sered prikladiv mozhna navesti gipotetichni oscilyaciyi nejtroniv antinejtroniv abo proces pid nazvoyu en sho ochikuyetsya pri nadzvichajno visokih energiyah ta polyagaye v peretvorenni protoniv v anti leptoni ta navpaki BariogenezisDokladnishe Bariogenezis Odnoyu z nevirishenih problem v suchasnij fizici ye prichina perevazhannya materiyi nad antimateriyeyu u Vsesviti Vsesvit v cilomu maye nenulovu pozitivnu gustinu barionnogo chisla tobto vin stvorenij z materiyi a ne antimateriyi V kosmologiyi panuye dumka sho chastinki yaki mi sposterigayemo u Vsesviti v nash chas buli stvoreni timi zh zakonami fiziki yakimi mi koristuyemosya sogodni V takomu vipadku mozhna bulo b ochikuvati sho zagalne chislo barioniv maye dorivnyuvati nulyu oskilki materiya i antimateriya mali buti utvorenimi u Velikomu Vibuhu v rivnih kilkostyah Cej paradoks ye privodom do chislennih zaproponovanih mehanizmiv porushennya simetriyi yaki spriyayut stvorennyu zvichajnoyi materiyi a ne antimateriyi za pevnih umov Navit yakbi cya asimetriya bula bi nadzvichajno maloyu za chastku sekundi pislya Velikogo Vibuhu poryadku 1 chastinki z kozhnih 10 000 000 000 1010 pislya togo yak bilshist z materiyi i antimateriyi anigilyuvalo te sho zalishilosya stvorilo b barionnu materiyu v suchasnomu vsesviti poryad z znachno bilshim chislom bozoniv Eksperimenti predstavleni v 2010 roci v laboratoriyi Fermi pokazali sho cej disbalans mozhe buti nabagato bilshim nizh peredbachalosya ranishe U zitknennyah protoniv ta antiprotoniv kilkist vidilenoyi materiyi stanovilo priblizno na 1 bilshe nizh kilkist vidilenoyi antimateriyi Prichina ciyeyi rozbizhnosti poki nevidoma cej rezultat takozh poki sho ne ye pidtverdzhenim inshimi eksperimentami Bilshist teorij velikogo ob yednannya yavno porushuyut zakon zberezhennya barionnogo chisla sho dozvolilo b poyasniti vidminnist materiyi ta antimateriyi Yak pravilo v takih teoriyah rozglyadayetsya obmin duzhe masivnimi X bozonami abo bozonami Higgsa H0 Shvidkist z yakoyu ci podiyi vidbuvayutsya v znachnij miri viznachayetsya masoyu promizhnogo X abo H0 bozona Otzhe yaksho pripustiti sho ci reakciyi vidpovidalni za isnuvannya sogodennoyi barionnoyi materiyi mozhna obchisliti maksimalnu masu chastinki vishe yakoyi bude proces vidbuvatimetsya zanadto povilno shob poyasniti kilkist materiyi u nash chas Ci ocinki peredbachayut sho u dostatno velikij kilkosti materiyi inodi proyavlyayetsya spontannij rozpad protona Eksperimentalni daniRozpad protona ye odnim z nebagatoh peredbachenih efektiv riznih zaproponovanih TVO yaki ne vdalosya pidtverditi eksperimentalno Inshim prikladom takih efektiv ye magnitni monopoli Voni stali v centri uvagi velikih eksperimentalnih robit z fiziki pochinayuchi z pochatku 1980 h Rozpad protona na toj chas buv nadzvichajno zahoplyuyuchoyu oblastyu eksperimentalnih doslidzhen v fizici Stanom na sogodni koli vsi sprobi sposterigati ci yavisha ye nevdalimi Najtochnishi rezultati pohodyat z eksperimentu na vodnomu detektori cherenkovskogo viprominyuvannya Super Kamiokande sho roztashovanij v Yaponiyi Najnizhcha mezha dlya periodu napivrozpadu protoniv bula vstanovlena u 1 67 1034 rokiv cherez pozitronnij rozpad ta u 1 08 1034 rokiv cherez anti myuonnij rozpad sho nablizhayetsya do peredbachen teoriyi supersimetriyi u 1034 1036 rokiv Modernizovanij detektor Giper Kamiokande ta inshi zmozhut utochniti ci rezultati v 5 10 raziv Dlya porivnyannya vik Vsesvitu ocinyuyetsya u priblizno 1010 rokiv Teoretichna motivaciyaDiagrama rozpadu protona v Teoriyah velikogo ob yednannya Nezvazhayuchi na vidsutnist eksperimentalnih sposterezhen rozpadu protona deyaki teoriyi velikogo ob yednannya taki yak modeli Dzhordzhi Gleshou potrebuyut jogo Na dumku deyakih podibnih teorij proton maye period napivrozpadu blizkij do 1036 rokiv i rozpadayetsya na pozitron i nejtralnij pion sho sam po sobi vidrazu rozpadayetsya na 2 gamma kvanti p e p0 p0 2g Oskilki pozitron ye antileptonom cej rozpad zberigaye kvantove chislo B L yake zberigayetsya v bilshosti TVO Dostupni takozh dodatkovi rezhimi rozpadu napriklad anti myuonnij r m p0 yak napryamu tak v Teoriyah velikogo ob yednannya i cherez magnitni monopoli Hocha zhoden z cih procesiv ne sposterigavsya eksperimentalno vin ye v mezhah oblasti chutlivosti majbutnih najmasshtabnishih detektoriv vagoyu v kilka megatonn takih yak Hyper Kamiokande Ranni teoriyi velikogo ob yednannya taki yak modeli Dzhordzhi Gleshou buli pershimi poslidovnimi teoriyami rozpadu protona sho postulyuvali period napivrozpadu protona shonajmenshe v 1031 rokiv Koli podalshi eksperimenti i rozrahunki buli vikonani v 1990 h rokah stalo ochevidnim sho period napivrozpadu protona ne mozhe buti korotshim za 1032 rokiv Bagato knig z cogo periodu rozglyadayut period u 1032 rokiv mozhlivim tipovim chasom zagasannya barionnoyi materiyi Hocha ce yavishe nazivayetsya rozpad protona efekt takozh mozhe proyavlyatisya v nejtronah sho zv yazani vseredini atomnih yader Vilni nejtroni ti sho ne ye vseredini atomnogo yadra yak vzhe vidomo rozpadayutsya na protoni a takozh elektron i antinejtrino v procesi vidomomu yak beta rozpad Vilni nejtroni mayut period napivrozpadu blizko 10 hvilin 613 9 0 8 s cherez slabku vzayemodiyu Nejtroni zv yazani u atomnomu yadri mayut nabagato bilshij period pivrozpadu nastilki zh dovgij yak i u protona Operatori rozpaduOperatori rozpadu protona rozmirnosti 6 Operatorami rozpadu protona rozmirnosti 6 ye q q q l L 2 d c u c u c e c L 2 e c u c q q L 2 displaystyle 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 d c u c q l L 2 displaystyle frac overline d c overline u c ql Lambda 2 de L ye tipovim masshtabom energiyi dlya Standartnoyi modeli Vsi ci operatori porushuyut barionne B i leptonne chislo L ale ne yih poyednannya B L U modelyah TVO obmin H abo Y bozonom z masoyu LGUT mozhe prizvesti do prignichennya dvoh ostannih operatoriv chlenom 1 L G U T 2 displaystyle frac 1 Lambda GUT 2 Obmin tripletnim bozonom Higgsa z masoyu M mozhe prizvesti do prignichennya vsih operatoriv proporcijnih do 1 M2 Rozpad protona Ci diagrami vidnosyatsya do bozoniv H i Bozoniv Higgsa Operator rozpadu protona rozmirnosti 6 za uchasti X bozona 3 2 5 6 v SU 5 TVO Operator rozpadu protona rozmirnosti 6 za uchasti X bozona 3 2 1 6 pri udari SU 5 TVO Operator rozpadu protona rozmirnosti 6 za uchastyu tripletu bozoniv Higgsa T 3 1 1 3 i anti tripletu T 3 1 1 3 v SU 5 TVO Operatori rozmirnosti 5 rozpadu protona U supersimetrichnih rozshirennyah Standartnoyi modeli napriklad mi takozh mozhemo mati operatori rozmirnosti 5 sho pov yazuyut dva fermioni i dva sfermioni z dopomogoyu obminu supersimetrichnoyi chastinki masi M Sfermionah mozhut obminyuvatis abo gravitino peretvoryuyuchis na dva fermioni V takomu vipadku diagrama Fejnmana matime petlyu ta inshi uskladnennya zumovleni fizikoyu silnih vzayemodij Cherez ce shvidkist takogo rozpadu bude proporcijna do 1 M M S U S Y displaystyle frac 1 MM SUSY de MSUSY velichina masi superpartneriv Operatori rozmirnosti 4 rozpadu protona U razi vidsutnosti R parnosti supersimetrichne rozshirennya Standartnoyi modeli mozhe prizvesti do prignichennya ostannogo operatora oskilki vin mistit v znamenniku kvadrat masi nizhnogo skvarka Ce pov yazano z rozmirnistyu 4 operatoriv q l d c ta u cd cd c Shvidkist rozpadu protona v takomu vipadku proporcijna do 1 M S U S Y 2 displaystyle frac 1 M SUSY 2 sho ye zanadto shvidko porivnyano z vikom Vsesvitu yaksho konstanti zv yazku ne nadto mali Div takozhSlabkij giperzaryad B L X ta Y bozoniPosilannyaRadioactive decays by Protons Myth or reality The Nucleus 1969 pp 69 70 V M Abazov ta in 2010 Evidence for an anomalous like sign dimuon charge asymmetry arXiv 1005 2757 CERN Courier brit 20 lipnya 2010 Arhiv originalu za 1 lyutogo 2021 Procitovano 27 sichnya 2021 CERN Courier brit 8 travnya 2019 Arhiv originalu za 2 lyutogo 2021 Procitovano 27 sichnya 2021 Nishino H Clark S Abe K Hayato Y Iida T Ikeda M Kameda J Kobayashi K Koshio Y 8 kvitnya 2009 Search for Proton Decay via p e p 0 and p m p 0 in a Large Water Cherenkov Detector Physical Review Letters angl T 102 14 s 141801 doi 10 1103 PhysRevLett 102 141801 ISSN 0031 9007 Procitovano 27 sichnya 2021 Francis Matthew R symmetry magazine angl Arhiv originalu za 16 sichnya 2021 Procitovano 27 sichnya 2021 H Nishino Super K Collaboration 2012 04 05 Search for Proton Decay via p e p0 and p m p0 in a Large Water Cherenkov Detector Physical Review Letters 102 14 141801 Bibcode 2009PhRvL 102n1801N doi 10 1103 PhysRevLett 102 141801 1984 PDF 5 3 251 271 Bibcode 1984JApA 5 251S doi 10 1007 BF02714542 Arhiv originalu PDF za 24 veresnya 2015 Procitovano 30 listopada 2015 W M Yao ta in 2006 PDF 33 1 arXiv astro ph 0601168 Bibcode 2006JPhG 33 1Y doi 10 1088 0954 3899 33 1 001 Arhiv originalu PDF za 25 sichnya 2017 Procitovano 30 listopada 2015