Decadimento del protone - Proton decay

Il modello di isospin deboli , ipercariche deboli e cariche di colore per le particelle nel modello Georgi-Glashow . Qui, un protone, costituito da due quark up e uno down, decade in un pione, costituito da un up e un anti-up, e un positrone, tramite un bosone X con carica elettrica − 4 / 3 .

Nella fisica delle particelle , il decadimento del protone è una forma ipotetica di decadimento delle particelle in cui il protone decade in particelle subatomiche più leggere , come un pione neutro e un positrone . L'ipotesi del decadimento del protone è stata formulata per la prima volta da Andrei Sakharov nel 1967. Nonostante il significativo sforzo sperimentale, il decadimento del protone non è mai stato osservato. Se decade tramite un positrone, l'emivita del protone è vincolata ad essere almeno1,67 × 10 34 anni.

Secondo il Modello Standard , il protone, un tipo di barione , è stabile perché il numero barionico ( numero di quark ) è conservato (in circostanze normali; vedi anomalia chirale per l'eccezione). Pertanto, i protoni non decadono da soli in altre particelle, perché sono i barioni più leggeri (e quindi meno energetici). L'emissione di positroni - una forma di decadimento radioattivo che vede un protone diventare un neutrone - non è decadimento del protone, poiché il protone interagisce con altre particelle all'interno dell'atomo.

Alcune teorie di grande unificazione (GUT) oltre lo standard rompono esplicitamente la simmetria del numero barionico, consentendo ai protoni di decadere tramite la particella di Higgs , i monopoli magnetici o i nuovi bosoni X con un'emivita di 10 31 a 10 36 anni. Per fare un confronto, l' universo ha circa 10 10 anni . Ad oggi, tutti i tentativi di osservare nuovi fenomeni previsti dalle GUT (come il decadimento del protone o l'esistenza di monopoli magnetici) sono falliti.

Il tunneling quantistico può essere uno dei meccanismi del decadimento del protone.

La gravità quantistica (tramite i buchi neri virtuali e la radiazione di Hawking ) può anche fornire un luogo di decadimento del protone a magnitudini o tempi di vita ben oltre l'intervallo di decadimento della scala GUT sopra, così come dimensioni extra nella supersimmetria .

Esistono metodi teorici di violazione del barione diversi dal decadimento del protone, comprese le interazioni con i cambiamenti del numero barionico e/o leptonico diverso da 1 (come richiesto nel decadimento del protone). Questi includevano violazioni B e/o L di 2, 3 o altri numeri, o violazione B  −  L. Tali esempi includono le oscillazioni dei neutroni e l' anomalia dello sfalerone elettrodebole ad alte energie e temperature che possono risultare tra la collisione di protoni in antileptoni o viceversa (un fattore chiave nella leptogenesi e nella bariogenesi non-GUT).

bariogenesi

Problema irrisolto in fisica :

I protoni decadono ? Se sì, qual è l' emivita ? L' energia di legame nucleare può influire su questo?

Uno dei problemi in sospeso nel campo della fisica moderna è la predominanza di materia sopra l'antimateria nella nell'universo . L'universo, nel suo insieme, sembra avere una densità di numero barionico positivo diverso da zero, cioè la materia esiste. Poiché in cosmologia si presume che le particelle che vediamo siano state create utilizzando la stessa fisica che misuriamo oggi, ci si aspetterebbe normalmente che il numero barionico complessivo sia zero, poiché materia e antimateria dovrebbero essere state create in quantità uguali. Ciò ha portato a una serie di meccanismi proposti per la rottura della simmetria che favoriscono la creazione di materia normale (in contrapposizione all'antimateria) in determinate condizioni. Questo squilibrio sarebbe stato eccezionalmente piccolo, dell'ordine di 1 in ogni10 000 000 000 (10 10 ) di particelle una piccola frazione di secondo dopo il Big Bang, ma dopo che la maggior parte della materia e dell'antimateria si sono annientate, ciò che è rimasto è tutta la materia barionica nell'universo attuale, insieme a un numero molto maggiore di bosoni .

La maggior parte delle teorie di grande unificazione rompono esplicitamente la simmetria del numero barionico , che spiegherebbe questa discrepanza, invocando tipicamente reazioni mediate da bosoni X molto massicci (
X
)
o bosoni di Higgs massicci (
h0
). La velocità con cui si verificano questi eventi è governata in gran parte dalla massa dell'intermedio
X
o
h0
particelle, quindi assumendo che queste reazioni siano responsabili della maggior parte del numero barionico visto oggi, si può calcolare una massa massima al di sopra della quale la velocità sarebbe troppo lenta per spiegare la presenza di materia oggi. Queste stime prevedono che un grande volume di materiale mostrerà occasionalmente un decadimento protonico spontaneo.

Evidenze sperimentali

Il decadimento del protone è una delle previsioni chiave delle varie teorie della grande unificazione (GUT) proposte negli anni '70, un'altra importante è l'esistenza di monopoli magnetici . Entrambi i concetti sono stati al centro di importanti sforzi di fisica sperimentale sin dai primi anni '80. Ad oggi, tutti i tentativi di osservare questi eventi sono falliti; tuttavia, questi esperimenti sono stati in grado di stabilire limiti inferiori sull'emivita del protone. Attualmente i risultati più precisi provengono dal rivelatore di radiazioni Cherenkov ad acqua Super-Kamiokande in Giappone: un'analisi del 2015 ha posto un limite inferiore sull'emivita del protone di1,67 × 10 34 anni tramite il decadimento del positrone e, allo stesso modo, un'analisi del 2012 ha fornito un limite inferiore all'emivita del protone di1,08 × 10 34 anni tramite decadimento antimuonico , vicino a una previsione di supersimmetria (SUSY) di 10 34 -10 36  anni. Una versione aggiornata, Hyper-Kamiokande , probabilmente avrà una sensibilità 5-10 volte migliore di Super-Kamiokande.

Motivazione teorica

Nonostante la mancanza di prove osservative per il decadimento del protone, alcune teorie della grande unificazione , come il modello SU(5) Georgi-Glashow e SO(10) , insieme alle loro varianti supersimmetriche, lo richiedono. Secondo tali teorie, il protone ha un'emivita di circa 10 31 ~ 10 36  anni e decade in un positrone e un pione neutro che decade immediatamente in due fotoni di raggi gamma :


P+
 
→  
e+
  +
?0
  →   2
?

Poiché un positrone è un antileptone, questo decadimento conserva il numero B - L , che è conservato nella maggior parte dei GUT .

Sono disponibili ulteriori modalità di decadimento (es:
P+

μ+
+
?0
), sia direttamente che quando catalizzato tramite interazione con monopoli magnetici previsti da GUT . Sebbene questo processo non sia stato osservato sperimentalmente, rientra nell'ambito della verificabilità sperimentale per i futuri rivelatori pianificati su larga scala sulla scala dei megatoni. Tali rilevatori includono l' Hyper-Kamiokande .

Le prime teorie della grande unificazione (GUT) come il modello Georgi-Glashow , che furono le prime teorie coerenti a suggerire il decadimento del protone, postularono che l'emivita del protone sarebbe stata di almeno 10 31  anni. Poiché negli anni '90 furono eseguiti ulteriori esperimenti e calcoli, divenne chiaro che l'emivita del protone non poteva essere inferiore a 10 32  anni. Molti libri di quel periodo fanno riferimento a questa cifra per il possibile tempo di decadimento della materia barionica.  Scoperte più recenti hanno spinto l'emivita minima del protone ad almeno 10 34 ~ 10 35 anni, escludendo i GUT più semplici (incluso il SU(5) minimo / Georgi-Glashow) e la maggior parte dei modelli non SUSY. Il limite massimo di vita del protone (se instabile), è calcolato a 6 × 10 39 anni, limite applicabile ai modelli SUSY, con un massimo per GUT (minimo) non SUSY a 1,4 × 10 36 anni.

Sebbene il fenomeno sia indicato come "decadimento del protone", l'effetto si vedrebbe anche nei neutroni legati all'interno dei nuclei atomici. È già noto che i neutroni liberi – quelli non all'interno di un nucleo atomico – decadono in protoni (e un elettrone e un antineutrino) in un processo chiamato decadimento beta . I neutroni liberi hanno un'emivita di 14+23  minuti (610.2 ± 0.8 s ) a causa dell'interazione debole . I neutroni legati all'interno di un nucleo hanno un'emivita immensamente più lunga, apparentemente grande quanto quella del protone.

Durata prevista del protone

lezione di teoria Vita del protone (anni) Escluso sperimentalmente?
Minimo SU(5) ( Georgi–Glashow ) 10 30 –10 31
Minimo SUSY SU(5) 10 28 –10 32
SUGRA SU(5) 10 32 –10 34
SUSY SO(10) 10 32 –10 35 parzialmente
SUSY SU(5) ( MSSM ) ~10 34 parzialmente
SUSY SU(5) – 5 dimensioni 10 34 –10 35 parzialmente
SO(10) minimo (di base) – Non SUSY < ~10 35 (intervallo massimo) No
SUSY SO(10) MSSM G(224) 2·10 34 No
SU capovolto(5) (MSSM) 10 35 –10 36 No

La vita del protone in vaniglia SU(5) può essere ingenuamente stimata come . GUT supersimmetriche con scale di riunificazione intorno a µ ~ 2 × 10 16  GeV/ c 2 producono una durata di circa 10 34  anni, all'incirca l'attuale limite inferiore sperimentale.

Operatori di decadimento

Operatori di decadimento del protone di dimensione 6

Le dimensioni operatori -6 decadimento del protone sono , , e dove è la scala di cut-off per il Modello Standard . Tutti questi operatori violano sia la conservazione del numero barionico ( B ) che del numero leptonico ( L ) ma non la combinazione B  −  L .

Nei modelli GUT , lo scambio di un bosone X o Y con la massa GUT può portare agli ultimi due operatori soppressi da . Lo scambio di una tripletta di Higgs con massa può portare alla soppressione di tutti gli operatori da . Vedi problema di divisione doppietto-tripletta .

Operatori di decadimento protonico di dimensione 5

Nelle estensioni supersimmetriche (come l' MSSM ), possiamo anche avere operatori di dimensione 5 che coinvolgono due fermioni e due sfermioni causati dallo scambio di un tripletino di massa M . Gli sfermioni si scambieranno quindi un gaugino o un Higgsino o un gravitino lasciando due fermioni. Il diagramma generale di Feynman ha un ciclo (e altre complicazioni dovute alla forte interazione fisica). Questo tasso di decadimento è soppresso da dove M SUSY è la scala di massa dei superpartner .

Operatori di decadimento del protone di dimensione 4

R-parity che viola decadimento.svg

In assenza di parità di materia , le estensioni supersimmetriche del Modello Standard possono dar luogo all'ultimo operatore soppresso dal quadrato inverso della massa del quark sdown . Ciò è dovuto agli operatori dimensione-4
Q

?

D
c e
tu
C
D
C
D
c .

Il tasso di decadimento del protone viene solo soppresso, il che è troppo veloce a meno che gli accoppiamenti non siano molto piccoli.

Guarda anche

Riferimenti

Ulteriori letture

link esterno