Proton bozunumu - Proton decay

Paterni zayıf isospins , zayıf hypercharges ve renk ücretleri partiküller için Georgi-Glashow modeli . Burada, iki yukarı ve bir aşağı kuarktan oluşan bir proton, elektrik yükü ^-4 / ₃ olan bir X bozonu aracılığıyla bir yukarı ve anti-yukarıdan oluşan bir pion'a ve bir pozitron'a bozunur .

Olarak parçacık fiziği , çürüme a, varsayımsal biçimi parçacık bozunması olan proton hafif içine bozunmaktadır atom altı parçacıkların bir nötr olarak, pion ve pozitron . Proton bozunumu hipotezi ilk olarak 1967'de Andrei Sakharov tarafından formüle edildi . Önemli deneysel çabalara rağmen, proton bozunması hiçbir zaman gözlemlenmedi. Bir pozitron aracılığıyla bozunursa, protonun yarı ömrü en az1.67 × 10 ³⁴ yıl.

Göre Standart model , proton, bir tür baryon'ait , çünkü stabildir baryon sayısı ( kuark sayısı ) olduğu korunmuş (normal şartlar altında, bakınız kiral anomali durum için). Bu nedenle, protonlar en hafif (ve dolayısıyla en az enerjili) baryon olduklarından, kendi başlarına diğer parçacıklara bozunmazlar. Pozitron emisyonu - protonun nötrona dönüştüğü bir radyoaktif bozunma şekli - proton bozunması değildir, çünkü proton atom içindeki diğer parçacıklarla etkileşime girer.

Bazı Standart-ötesi Model büyük birleşik teoriler (GUT'ler) baryon sayısı simetrisini açıkça kırar ve protonların Higgs parçacığı , manyetik monopoller veya 10 ³¹ ila 10 ³⁶ yıllık bir yarı ömre sahip yeni X bozonları aracılığıyla bozunmasına izin verir . Karşılaştırma için, evren kabaca 10 ¹⁰ yaşında . Bugüne kadar, GUT'lerin öngördüğü yeni fenomenleri (proton bozunması veya manyetik monopollerin varlığı gibi) gözlemleme girişimleri başarısız oldu.

Kuantum tünelleme , proton bozunmasının mekanizmalarından biri olabilir.

Kuantum yerçekimi ( sanal kara delikler ve Hawking radyasyonu yoluyla ), yukarıdaki GUT ölçeği bozulma aralığının çok ötesindeki büyüklüklerde veya yaşamlarda ve ayrıca süpersimetride ekstra boyutlarda bir proton bozunma alanı sağlayabilir .

Baryon bozunumu dışında, baryon ve/veya lepton sayısının 1'den farklı (proton bozunmasında gerektiği gibi) değişiklikleriyle etkileşimleri içeren teorik baryon ihlali yöntemleri vardır. Bunlar , 2, 3 veya diğer sayıların B ve/veya L ihlallerini veya B  -  L ihlallerini içeriyordu . Bu tür örnekler, nötron salınımlarını ve protonların antileptonlara çarpışması veya tam tersi ( leptogenez ve GUT olmayan baryojenezde önemli bir faktör) arasında sonuçlanabilecek yüksek enerji ve sıcaklıklardaki elektrozayıf sfaleron anomalisini içerir .

baryogenez

Modern fizikte üstün sorunlardan biri baskın olmasıdır madde üzerinde antimadde içinde evrenin . Evren, bir bütün olarak, sıfırdan farklı bir pozitif baryon sayısı yoğunluğuna sahip gibi görünüyor - yani madde var. Kozmolojide , gördüğümüz parçacıkların bugün ölçtüğümüz fizik kullanılarak yaratıldığı varsayıldığından , madde ve antimaddenin eşit miktarlarda yaratılmış olması gerektiği gibi, normal olarak toplam baryon sayısının sıfır olması beklenir. Bu, belirli koşullar altında normal maddenin (antimaddenin aksine) yaratılmasını destekleyen simetri kırılması için bir dizi önerilen mekanizmaya yol açmıştır . Bu dengesizlik istisnai olarak küçük olurdu, her biri için 1 oranında.10 000 000 000 (10 ¹⁰ ) parçacık, Büyük Patlama'dan saniyenin küçük bir kesri kadar sonra, ancak maddenin ve antimaddenin çoğu yok edildikten sonra, geriye kalan, mevcut evrendeki baryonik maddenin tamamı ve çok daha büyük bir sayıydı. arasında bozonlar .

Çoğu büyük birleşik teori, baryon sayısı simetrisini açıkça kırar, bu tutarsızlığı açıklar, tipik olarak çok büyük X bozonlarının aracılık ettiği reaksiyonlara neden olur (
x
) veya büyük Higgs bozonları (
H⁰
). Bu olayların meydana gelme hızı, büyük ölçüde ara maddenin kütlesi tarafından yönetilir.
x
veya
H⁰
parçacıklar, dolayısıyla bu reaksiyonların bugün görülen baryon sayısının çoğundan sorumlu olduğu varsayılarak, bugün maddenin varlığını açıklamak için hızın çok yavaş olacağı bir maksimum kütle hesaplanabilir. Bu tahminler, büyük hacimli bir malzemenin ara sıra kendiliğinden bir proton bozunması sergileyeceğini tahmin ediyor.

Deneysel kanıt

Proton bozunması, 1970'lerde önerilen çeşitli büyük birleşik teorilerin (GUT'ler) temel tahminlerinden biridir, bir diğeri de manyetik monopollerin varlığıdır . Her iki kavram da 1980'lerin başından beri büyük deneysel fizik çabalarının odak noktası olmuştur. Bugüne kadar, bu olayları gözlemlemeye yönelik tüm girişimler başarısız oldu; bununla birlikte, bu deneyler, protonun yarı ömrü üzerinde daha düşük sınırlar oluşturabilmiştir. Şu anda en kesin sonuçlar Japonya'daki Super-Kamiokande su Cherenkov radyasyon dedektöründen geliyor: 2015 yılında yapılan bir analiz, protonun yarı ömrüne bir alt sınır yerleştirdi.Pozitron bozunması yoluyla 1,67 × 10 ³⁴ yıl ve benzer şekilde, bir 2012 analizi, protonun yarı ömrüne bir alt sınır verdi.1.08 × 10 ³⁴ yıl, antimuon bozunması yoluyla , 10 ³⁴ –10 ³⁶  yıllık bir süpersimetri (SUSY) tahminine yakın . Yükseltilmiş bir versiyon olan Hyper-Kamiokande , muhtemelen Super-Kamiokande'den 5-10 kat daha iyi hassasiyete sahip olacaktır.

teorik motivasyon

Proton bozunması için gözlemsel kanıt olmamasına rağmen, SU(5) Georgi-Glashow modeli ve SO(10) gibi bazı büyük birleştirme teorileri , süpersimetrik varyantlarıyla birlikte bunu gerektirir. Bu tür teorilere göre, protonun yarılanma ömrü yaklaşık 10 ³¹ ~ 10 ³⁶  yıldır ve bir pozitron ve kendisi hemen iki gama ışını fotonuna bozunan bir nötr pion'a bozunur :

P+	→	e+	+	π0
				└→	2 y

Bir yana pozitron bir bir antilepton bu bozunum korur L - Oda numarası en muhafaza edilir GUT s.

Ek bozunma modları mevcuttur (örneğin:
P⁺
→
μ⁺
+
π⁰
), hem doğrudan hem de GUT tarafından tahmin edilen manyetik monopollerle etkileşim yoluyla katalize edildiğinde . Bu süreç deneysel olarak gözlemlenmemiş olsa da, megaton ölçeğinde gelecekte planlanan çok büyük ölçekli dedektörler için deneysel olarak test edilebilirlik alanı içindedir. Bu tür dedektörler arasında Hyper-Kamiokande bulunur .

Proton bozunmasını öne süren ilk tutarlı teoriler olan Georgi-Glashow modeli gibi erken büyük birleşme teorileri (GUT'ler) , protonun yarı ömrünün en az 10 ³¹  yıl olacağını varsayıyordu . 1990'larda daha ileri deneyler ve hesaplamalar yapıldıkça, proton yarı ömrünün 10 ³²  yılın altında olamayacağı anlaşıldı . O döneme ait birçok kitap, baryonik maddenin olası bozunma süresi için bu rakama atıfta bulunur. Daha yeni bulgular, minimum proton yarı ömrünü en az 10 ³⁴ ~ 10 ³⁵  yıla iterek, daha basit GUT'leri (minimum SU(5) / Georgi–Glashow dahil) ve çoğu SUSY olmayan modeli dışladı. Proton ömrü üzerindeki maksimum üst sınır (kararsızsa), 6 × 10 ³⁹ yılda hesaplanır , bu sınır SUSY modellerine uygulanabilir, (minimum) SUSY dışı GUT'lar için maksimum 1,4 × 10 ³⁶ yılda.

Bu fenomen "proton bozunması" olarak adlandırılsa da, etki atom çekirdeğine bağlı nötronlarda da görülecektir . Serbest nötronların - bir atom çekirdeğinin içinde olmayanlar - beta bozunması adı verilen bir süreçte protonlara (ve bir elektron ve bir antinötrinoya) bozundukları zaten bilinmektedir . Ücretsiz nötronlar bir var yarılanma ömrü içinde 14+2 ⁄ 3  dakika (610.2 ± 0.8 s ) zayıf etkileşim nedeniyle . Bir çekirdeğe bağlı nötronların yarı ömrü çok daha uzundur - görünüşe göre protonunki kadar büyük.

Öngörülen proton ömürleri

Vanilyadaki protonun ömrü SU(5) saf bir şekilde olarak tahmin edilebilir . µ ~ civarında yeniden birleştirme ölçeklerine sahip süpersimetrik GUT'ler${\displaystyle \tau _{p}\sim {\frac {M_{X}^{4}}{m_{p}^{5}}}}$ 2 × 10 ¹⁶  GeV/ c ²  , yaklaşık olarak mevcut deneysel alt sınır olan yaklaşık 10 ³⁴ yıllık bir ömür sağlar .

çürüme operatörleri

Boyut-6 proton bozunma operatörleri

Boyut -6 proton bozunma operatörleri , , ve burada bir kesme ölçek için standart model . Bu operatörlerin tümü hem baryon sayısı ( B ) hem de lepton sayısı ( L ) korunumunu ihlal eder ancak B  -  L kombinasyonunu ihlal etmez . ${\displaystyle {\frac {qqql}{\Lambda ^{2}}}}$${\displaystyle {\frac {d^{c}u^{c}u^{c}e^{c}}{\Lambda ^{2}}}}$${\displaystyle {\frac {{\overline {e^{c}}}{\overline {u^{c}}}qq}{\Lambda ^{2}}}}$${\displaystyle {\frac {{\overline {d^{c}}}{\overline {u^{c}}}ql}{\Lambda ^{2}}}}$${\ Displaystyle \ Lambda }$

Gelen GUT modelleri, bir değişimi X veya Y boson kütle Λ ile _GUT tarafından bastırılmış son iki operatör yol açabilir . Bir üçlü Higgs'in kütle ile değişimi, tüm operatörlerin tarafından bastırılmasına yol açabilir . Bkz çiftli-üçlü bölme sorunu . ${\displaystyle {\frac {1}{\Lambda _{GUT}^{2}}}}$${\görüntüleme stili M}$${\displaystyle {\frac {1}{M^{2}}}}$

• Proton bozunması. Bu grafikler X bozonlarına ve Higgs bozonlarına atıfta bulunur .
• 

  X bozonunun aracılık ettiği boyut-6 proton bozunması
  (3,2)
  _{− 5 ⁄ 6} SU(5) GUT'ta

• 

  X bozonunun aracılık ettiği boyut-6 proton bozunması
  (3,2)
  _{1 ⁄ 6} ters çevrilmiş SU(5) GUT'ta

• 

  Higgs T (3,1) üçlüsünün aracılık ettiği boyut-6 proton bozunması
  
  _{− 1 ⁄ 3}ve
  anti-üçlü Higgs T ( 3 ,1)
  _{1 ⁄ 3} SU(5) GUT'ta

Boyut-5 proton bozunma operatörleri

Gelen süpersimetrik (örneğin uzantılı MSSM ), aynı zamanda, iki Fermiyonları ve iki içeren boyut-5 operatörü olabilir sfermions bir değişimi neden tripletino kütlesi M . Sfermions sonra alışverişinde bulunacaklar gaugino veya Higgsino veya gravitino iki Fermiyonları bırakarak. Genel Feynman diyagramı bir döngüye (ve güçlü etkileşim fiziğinden kaynaklanan diğer komplikasyonlara) sahiptir. Bu azalma oranı ile bastırılır burada M _SUSY kütlesi ölçeğidir superpartners . ${\displaystyle {\frac {1}{MM_{SUSY}}}}$

Boyut-4 proton bozunma operatörleri

Madde paritesinin yokluğunda , Standart Modelin süpersimetrik uzantıları, sdown kuark kütlesinin ters karesi tarafından bastırılan son operatöre yol açabilir . Bu, boyut-4 operatörlerinden kaynaklanmaktadır.
Q

ℓ

NS
^c ve
sen
^C
NS
^C
NS
^c .

Proton bozunma hızı, yalnızca , eşleşmeler çok küçük olmadıkça çok hızlı olan bastırılır . ${\displaystyle {\frac {1}{M_{SUSY}^{2}}}}$

Ayrıca bakınız

• evrenin yaşı
• B - L
• sanal kara delik
• Zayıf hiper şarj
• X ve Y bozonları

Referanslar

daha fazla okuma

• C. Amsler; Parçacık Veri Grubu (2008). "Parçacık Fiziğinin Gözden Geçirilmesi – N Baryons" (PDF) . Fizik Harfleri B . 667 (1): 1–6. Bibcode : 2008PhLB..667....1A . doi : 10.1016/j.physletb.2008.07.018 . hdl : 1854/LU-685594 .
• K. Hagiwara; Parçacık Veri Grubu (2002). "Parçacık Fiziğinin Gözden Geçirilmesi – N Baryons" (PDF) . Fiziksel İnceleme D . 66 (1): 010001. Bibcode : 2002PhRvD..66a0001H . doi : 10.1103/PhysRevD.66.010001 .
• F. Adams; G. Laughlin (2000-06-19). Evrenin Beş Çağı: Sonsuzluğun Fiziğinin İçinde . ISBN'si 978-0-684-86576-8.
• LM Krauss (2001). Atom : Büyük Patlama'dan Dünyadaki Yaşama Bir Odyssey . ISBN'si 978-0-316-49946-0.
• D.-D. Wu; T.-Z. Li (1985). "Proton bozunması, imha veya füzyon?". Zeitschrift für Physik C . 27 (2): 321-323. Bibcode : 1985ZPhyC..27..321W . doi : 10.1007/BF01556623 . S2CID  121868029 .
• P. Nath; P. Fileviez Perez (2007). "Büyük birleşik teorilerde, dizilerde ve zarlarda proton kararlılığı". Fizik Raporları . 441 (5–6): 191–317. arXiv : hep-ph/0601023 . Bibcode : 2007PhR...441..191N . doi : 10.1016/j.physrep.2007.02.010 . S2CID  119542637 .

Dış bağlantılar

• Super-Kamiokande'de proton bozunması
• IMB deneyinin resimli geçmişi
• Luciano Maiani (8 Şubat 2006). Proton bozunması sorunu (PDF) . Venedik'te Nötrino Salınımları Üzerine Üçüncü NO-VE Uluslararası Çalıştayı . Venedik.