Decaimiento de protones

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Proceso hipotético de desintegración de un núcleo (protón o neutron) en no núcleos (algo más)

El patrón de isospins débiles, hipercargas débiles y cargas de color para partículas en el modelo Georgi-Glashow. Aquí, un protón, compuesto por dos quarks arriba y un abajo, se descompone en un pión, que consiste en un arriba y anti-up, y un positron, a través de un X boson con carga eléctrica −⁴/₃.

En física de partículas, la desintegración de protones es una forma hipotética de desintegración de partículas en la que el protón se desintegra en partículas subatómicas más ligeras, como un pión neutro y un positrón. La hipótesis de la desintegración de protones fue formulada por primera vez por Andrei Sakharov en 1967. A pesar de un importante esfuerzo experimental, nunca se ha observado la desintegración de protones. Si decae a través de un positrón, la vida media del protón está limitada a ser al menos 1,67×10³⁴ años.

Según el modelo estándar, el protón, un tipo de barión, es estable porque el número de barión (número de quark) se conserva (en circunstancias normales; consulte anomalía quiral para ver una excepción). Por lo tanto, los protones no se descompondrán en otras partículas por sí mismos, porque son los bariones más livianos (y por lo tanto menos energéticos). La emisión de positrones y la captura de electrones, formas de desintegración radiactiva en las que un protón se convierte en un neutrón, no son desintegración de protones, ya que el protón interactúa con otras partículas dentro del átomo.

Algunas grandes teorías unificadas (GUT) más allá del modelo estándar rompen explícitamente la simetría del número bariónico, lo que permite que los protones se desintegren a través de la partícula de Higgs, los monopolos magnéticos o los nuevos bosones X con una vida media de 10³¹ a 10³⁶ años. A modo de comparación, el universo tiene aproximadamente 1010 años. Hasta la fecha, todos los intentos de observar nuevos fenómenos predichos por las GUT (como la desintegración de protones o la existencia de monopolos magnéticos) han fracasado.

La tunelización cuántica puede ser uno de los mecanismos de desintegración de protones.

La gravedad cuántica (a través de los agujeros negros virtuales y la radiación de Hawking) también puede proporcionar un lugar de desintegración de protones en magnitudes o tiempos de vida mucho más allá del rango de desintegración de la escala GUT anterior, así como dimensiones adicionales en la supersimetría.

Existen métodos teóricos de violación de bariones distintos de la descomposición de protones, incluidas las interacciones con cambios en el número de bariones y/o leptones distintos de 1 (como se requiere en la descomposición de protones). Estos incluyeron violaciones B y/o L de 2, 3 u otros números, o violación B − L. Tales ejemplos incluyen oscilaciones de neutrones y la anomalía del esfalerón electrodébil a altas energías y temperaturas que pueden resultar entre la colisión de protones en antileptones o viceversa (un factor clave en la leptogénesis y la bariogénesis no GUT).

Bariogénesis

Problema no resuelto en la física:

¿Decaen los protones? Si es así, ¿cuál es la vida media? ¿Puede la energía nuclear vinculante afectar esto?

(Problemas más no resueltos en física)

Uno de los problemas pendientes de la física moderna es el predominio de la materia sobre la antimateria en el universo. El universo, como un todo, parece tener una densidad numérica bariónica positiva distinta de cero, es decir, la materia existe. Dado que en la cosmología se supone que las partículas que vemos se crearon usando la misma física que medimos hoy, normalmente se esperaría que el número bariónico general fuera cero, ya que la materia y la antimateria deberían haberse creado en cantidades iguales. Esto ha llevado a una serie de mecanismos propuestos para romper la simetría que favorecen la creación de materia normal (en oposición a la antimateria) bajo ciertas condiciones. Este desequilibrio habría sido excepcionalmente pequeño, del orden de 1 de cada 10000000000 (10¹⁰) partículas una pequeña fracción de segundo después del Big Bang, pero después de que la mayor parte de la materia y la antimateria fueran aniquiladas, lo que quedó fue toda la materia bariónica del universo actual, junto con con un número mucho mayor de bosones.

La mayoría de las grandes teorías unificadas rompen explícitamente la simetría del número bariónico, lo que explicaría esta discrepancia, normalmente invocando reacciones mediadas por bosones X muy masivos (
X
) o bosones de Higgs masivos (
H⁰
). La velocidad a la que ocurren estos eventos se rige en gran medida por la masa del
X
o
H⁰
partículas, por lo que suponiendo que estas reacciones son responsable de la mayor parte del número de bariones visto hoy, se puede calcular una masa máxima por encima de la cual la tasa sería demasiado lenta para explicar la presencia de materia en la actualidad. Estas estimaciones predicen que un gran volumen de material exhibirá ocasionalmente una descomposición espontánea de protones.

Evidencia experimental

La desintegración de protones es una de las principales predicciones de las diversas grandes teorías unificadas (GUT, por sus siglas en inglés) propuestas en la década de 1970, siendo otra importante la existencia de monopolos magnéticos. Ambos conceptos han sido el foco de importantes esfuerzos de física experimental desde principios de la década de 1980. Hasta la fecha, todos los intentos de observar estos eventos han fracasado; sin embargo, estos experimentos han podido establecer límites inferiores en la vida media del protón. Actualmente, los resultados más precisos provienen del detector de radiación Cherenkov de agua Super-Kamiokande en Japón: un análisis de 2015 colocó un límite inferior en la vida media del protón de 1.67×10³⁴ años a través de la desintegración de positrones y, de manera similar, un análisis de 2012 dio un límite inferior a la vida media del protón de 1.08×10³⁴ años a través de la descomposición del antimuón, cerca de una predicción de supersimetría (SUSY) de 10³⁴–10³⁶ años. Una versión mejorada, Hyper-Kamiokande, probablemente tendrá una sensibilidad de 5 a 10 veces mejor que Super-Kamiokande.

Motivación teórica

A pesar de la falta de evidencia observacional de la descomposición del protón, algunas teorías de la gran unificación, como el modelo SU(5) Georgi-Glashow y SO(10), junto con sus variantes supersimétricas, la requieren. Según estas teorías, el protón tiene una vida media de aproximadamente 10³¹~10³⁶ años y se descompone en un positrón y un neutro pión que se descompone inmediatamente en dos fotones de rayos gamma:

p⁺	→	e+	+	$π0$
				→	$2 γ$

Dado que un positrón es un antileptón, esta descomposición conserva $B - L$ número, que se conserva en la mayoría de GUTs.

Hay modos de caída adicionales disponibles (por ejemplo:
p⁺
→ $μ+$ + $π0$ ), tanto directamente como cuando se cataliza a través de la interacción con GUT-monopo magnético predicho les. Aunque este proceso no se ha observado experimentalmente, está dentro del ámbito de la capacidad de prueba experimental para futuros detectores a gran escala planificados en la escala de megatones. Dichos detectores incluyen el Hyper-Kamiokande.

Las primeras teorías de la gran unificación (GUT, por sus siglas en inglés), como el modelo Georgi-Glashow, que fueron las primeras teorías consistentes en sugerir la descomposición del protón, postularon que la vida media del protón sería de al menos 10³¹ años. A medida que se realizaron más experimentos y cálculos en la década de 1990, quedó claro que la vida media del protón no podía estar por debajo de 10³² años. Muchos libros de ese período se refieren a esta cifra para el posible tiempo de descomposición de la materia bariónica. Hallazgos más recientes han llevado la vida media mínima del protón a al menos 10³⁴~10³⁵ años, descartando los GUT más simples (incluidos mínimo SU(5) / Georgi–Glashow) y la mayoría de los modelos que no son SUSY. El límite superior máximo de la vida útil del protón (si es inestable) se calcula en 6 × 10³⁹ años, un límite aplicable a los modelos SUSY, con un máximo para (mínimos) GUT no SUSY en 1,4 × 10³⁶ años.

Aunque el fenómeno se conoce como 'desintegración de protones', el efecto también se observaría en los neutrones unidos dentro de los núcleos atómicos. Los neutrones libres, aquellos que no están dentro de un núcleo atómico, ya se sabe que se desintegran en protones (y un electrón y un antineutrino) en un proceso llamado desintegración beta. Los neutrones libres tienen una vida media de 10 minutos (610.2±0.8 s) debido a la interacción débil. Los neutrones unidos dentro de un núcleo tienen una vida media inmensamente más larga, aparentemente tan grande como la del protón.

Vida útil proyectada de los protones

Clase de teoría	Proton life (years)	¿Reprobada experimentalmente?
Minimal SU(5) (Georgi–Glashow)	10³⁰–10³¹	Sí.
Minimal SUSY SU(5)	10²⁸–10³²	Sí.
SUGRA SU(5)	10³²–10³⁴	Sí.
SUSY SO(10)	10³²–10³⁵	Parcialmente
SUSY SU(5) (MSSM)	~10³⁴	Parcialmente
SUSY SU(5) – 5 dimensiones	10³⁴–10³⁵	Parcialmente
SUSY SO(10) MSSM G(224)	2·10³⁴	No
Minimal (Basic) SO(10) – Non-SUSY	▪ 10³⁵ (rango máximo)	No
SU(5) Flipped (MSSM)	10³⁵–10³⁶	No

La vida del protón en vainilla SU(5) se puede estimar ingenuamente como ${displaystyle tau _{p}sim {frac {M_{X}^{4}}{m_{p}^{5}}}}$ . Supersymmetric GUTs con escalas de reunificación alrededor $μ$ 2×10¹⁶GeV/c2 rendimiento una vida de alrededor de 10³⁴Sí, aproximadamente el límite inferior experimental actual.

Operadoras de decaimiento

(feminine)

Operadores de desintegración de protones de dimensión 6

Los operadores de desintegración de protones dimension-6 son ${frac {qqql}{Lambda ^{2}}}$ , ${frac {d^{c}u^{c}u^{c}e^{c}}{Lambda ^{2}}}$ , ${frac {{overline {e^{c}}}{overline {u^{c}}}qq}{Lambda ^{2}}}$ y ${frac {{overline {d^{c}}}{overline {u^{c}}}ql}{Lambda ^{2}}}$ Donde $Lambda$ es la escala de corte para el Modelo Estándar. Todos estos operadores violan el número de baryon (B) y número de lepton (L) conservación pero no la combinación B - L.

In GUT modelos, el intercambio de un bosón X o Y con la masa_GUT puede conducir a los dos últimos operadores suprimidos por ${frac {1}{Lambda _{GUT}^{2}}}$ . El intercambio de un triplet Higgs con masa $M$ puede conducir a todos los operadores suprimidos por ${displaystyle {frac {1}{M^{2}}}}$ . Ver doblet-triplet problema de división.

Decaimiento Proton. Estos gráficos se refieren a los bosons X y los bosons Higgs.
Decaimiento de protones Dimension-6 mediado por
X boson (3,2)
_−5.6 en SU(5) GUT
Decaimiento de protones Dimension-6 mediado por
X boson (3,2)
_1.6 SU(5) GUT
Decaimiento de protones Dimension-6 mediado por
triplet Higgs T (3,1)
_−1.3 y el
antitriplet Higgs T ()3,1)
_1.3 en SU(5) GUT

Operadores de desintegración de protones de dimensión 5

En extensiones supersimétricas (como el MSSM), también podemos tener operadores de dimensión-5 que implican dos fermiones y dos férulas causadas por el intercambio de un tripletino de masa M. Los sfermions cambiarán un gaugino o Higgsino o gravitino dejando dos fermions. El diagrama general de Feynman tiene un bucle (y otras complicaciones debido a la fuerte interacción física). Esta tasa de decadencia es suprimida por ${displaystyle {frac {1}{MM_{text{SUSY}}}}}$ Donde M_SUSY es la escala de masas de los superparticipantes.

Operadores de desintegración de protones de dimensión 4

En ausencia de paridad de materia, las extensiones supersimétricas del modelo estándar pueden dar lugar al último operador suprimido por el inverso del cuadrado de la masa del quark sdown. Esto se debe a los operadores de dimensión 4
q

ℓ

d͂
^c y
u
^c
d
^c
d͂
^c.

La tasa de desintegración de protones sólo es suprimida por ${displaystyle {frac {1}{M_{text{SUSY}}^{2}}}}$ que es demasiado rápido a menos que los acoplamientos sean muy pequeños.

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