Decaimento de prótons - Proton decay
Na física de partículas , o decaimento de prótons é uma forma hipotética de decaimento de partículas em que o próton decai em partículas subatômicas mais leves , como um píon neutro e um pósitron . A hipótese do decaimento do próton foi formulada pela primeira vez por Andrei Sakharov em 1967. Apesar do esforço experimental significativo, o decaimento do próton nunca foi observado. Se ele decair por meio de um pósitron, a meia-vida do próton é restrita a ser de pelo menos1,67 × 10 34 anos.
De acordo com o modelo padrão , o próton, um tipo de bárion , é estável porque o número de bárions ( número de quark ) é conservado (em circunstâncias normais; veja anomalia quiral para exceção). Portanto, os prótons não irão decair em outras partículas por conta própria, porque eles são os bárions mais leves (e, portanto, menos energéticos). A emissão de pósitrons - uma forma de decaimento radioativo que transforma um próton em nêutron - não é um decaimento de próton, uma vez que o próton interage com outras partículas dentro do átomo.
Algumas teorias grand unificadas do modelo além do padrão (GUTs) quebram explicitamente a simetria do número de bárions, permitindo que os prótons se decomponham através da partícula de Higgs , monopólos magnéticos ou novos bósons X com meia-vida de 10 31 a 10 36 anos. Para efeito de comparação, o universo tem cerca de 10 a 10 anos . Até o momento, todas as tentativas de observar novos fenômenos previstos por GUTs (como o decaimento de prótons ou a existência de monopólos magnéticos) falharam.
O tunelamento quântico pode ser um dos mecanismos de decaimento do próton.
A gravidade quântica (via buracos negros virtuais e radiação Hawking ) também pode fornecer um local para o decaimento de prótons em magnitudes ou vidas muito além da escala de decaimento da escala GUT acima, bem como dimensões extras na supersimetria .
Existem métodos teóricos de violação de bárions além do decaimento de prótons, incluindo interações com mudanças no número de bárions e / ou leptões diferentes de 1 (conforme exigido no decaimento de prótons). Isso incluía violações B e / ou L de 2, 3 ou outros números, ou violação B - L . Tais exemplos incluem oscilações de nêutrons e a anomalia de esfalo- não eletrofraca em altas energias e temperaturas que podem resultar entre a colisão de prótons em antileptons ou vice-versa (um fator-chave na leptogênese e na bariogênese não-GUT).
Bariogênese
Os prótons decaem ? Em caso afirmativo, qual é a meia-vida ? A energia de ligação nuclear pode afetar isso?
Um dos problemas pendentes da física moderna é a predominância da matéria sobre a antimatéria no universo . O universo, como um todo, parece ter uma densidade numérica bárion positiva diferente de zero - isto é, a matéria existe. Uma vez que é assumido na cosmologia que as partículas que vemos foram criadas usando a mesma física que medimos hoje, normalmente seria esperado que o número total de bárions fosse zero, já que matéria e antimatéria deveriam ter sido criadas em quantidades iguais. Isso levou a uma série de mecanismos propostos para quebra de simetria que favorecem a criação de matéria normal (em oposição à antimatéria) sob certas condições. Este desequilíbrio teria sido excepcionalmente pequeno, da ordem de 1 em cada10 000 000 000 (10 10 ) partículas uma pequena fração de segundo após o Big Bang, mas depois a maior parte da matéria e antimatéria aniquilou, o que sobrava era toda a matéria bariônica no universo atual, juntamente com um número maior tanto de bósons .
A maioria das grandes teorias unificadas quebram explicitamente a simetria do número bárion , o que explicaria esta discrepância, normalmente invocando reações mediadas por bósons X muito massivos (
X
) ou bósons de Higgs massivos (
H0
) A taxa em que esses eventos ocorrem é governada em grande parte pela massa do intermediário
X
ou
H0
partículas, então assumindo que essas reações são responsáveis pela maioria do número de bárions visto hoje, uma massa máxima pode ser calculada acima da qual a taxa seria muito lenta para explicar a presença de matéria hoje. Essas estimativas prevêem que um grande volume de material ocasionalmente exibirá um decaimento espontâneo do próton.
Evidência experimental
O decaimento de prótons é uma das principais previsões das várias grandes teorias unificadas (GUTs) propostas na década de 1970, sendo outra importante a existência de monopolos magnéticos . Ambos os conceitos têm sido o foco dos principais esforços da física experimental desde o início dos anos 1980. Até o momento, todas as tentativas de observar esses eventos falharam; no entanto, esses experimentos foram capazes de estabelecer limites inferiores na meia-vida do próton. Atualmente, os resultados mais precisos vêm do detector de radiação Cherenkov de água Super-Kamiokande no Japão: uma análise de 2015 colocou um limite inferior na meia-vida do próton de1,67 × 10 34 anos via decaimento do pósitron e, da mesma forma, uma análise de 2012 deu um limite inferior para a meia-vida do próton de1,08 × 10 34 anos via decaimento do antimuon , perto de uma previsão de supersimetria (SUSY) de 10 34 –10 36 anos. Uma versão atualizada, Hyper-Kamiokande , provavelmente terá sensibilidade 5–10 vezes melhor do que Super-Kamiokande.
Motivação teórica
Apesar da falta de evidência observacional para o decaimento do próton, algumas teorias da grande unificação , como o modelo SU (5) de Georgi-Glashow e SO (10) , junto com suas variantes supersimétricas, exigem isso. De acordo com essas teorias, o próton tem meia-vida de cerca de 10 31 ~ 10 36 anos e decai em um pósitron e um píon neutro que imediatamente decai em dois fótons de raios gama :
Uma vez que um pósitron é um antilepton, esse decaimento preserva o número B - L , que é conservado na maioria dos GUT s.
Modos de decaimento adicionais estão disponíveis (por exemplo:
p+
→
µ+
+
π0
), tanto diretamente quanto quando catalisado por meio da interação com monopólos magnéticos previstos por GUT . Embora este processo não tenha sido observado experimentalmente, ele está dentro do reino da testabilidade experimental para futuros detectores planejados de grande escala na escala de megatons. Esses detectores incluem o Hyper-Kamiokande .
As primeiras teorias da grande unificação (GUTs), como o modelo de Georgi-Glashow , que foram as primeiras teorias consistentes a sugerir o decaimento do próton, postularam que a meia-vida do próton seria de pelo menos 10 31 anos. À medida que mais experimentos e cálculos foram realizados na década de 1990, ficou claro que a meia-vida do próton não poderia ficar abaixo de 10 32 anos. Muitos livros desse período referem-se a essa figura para o possível tempo de decomposição da matéria bariônica. Descobertas mais recentes aumentaram a meia-vida mínima do próton para pelo menos 10 34 ~ 10 35 anos, descartando os GUTs mais simples (incluindo SU (5) / Georgi – Glashow mínimo) e a maioria dos modelos não SUSY. O limite superior máximo na vida útil do próton (se instável) é calculado em 6 × 10 39 anos, um limite aplicável aos modelos SUSY, com um máximo para GUTs não SUSY (mínimos) de 1,4 × 10 36 anos.
Embora o fenômeno seja conhecido como "decaimento de prótons", o efeito também seria visto em nêutrons ligados ao interior dos núcleos atômicos. Neutrons livres - aqueles que não estão dentro de um núcleo atômico - já são conhecidos por decair em prótons (e um elétron e um antineutrino) em um processo chamado decaimento beta . Nêutrons livres têm meia-vida de 14+2 ⁄ 3 minutos (610,2 ± 0,8 s ) devido à interação fraca . Os nêutrons presos dentro de um núcleo têm uma meia-vida imensamente mais longa - aparentemente tão grande quanto a do próton.
Vida útil projetada de prótons
Aula teórica | Vida útil do próton (anos) | Descartado experimentalmente? |
---|---|---|
SU mínimo (5) ( Georgi – Glashow ) | 10 30 -10 31 | sim |
SUSY SU mínimo (5) | 10 28 - 10 32 | sim |
SUGRA SU (5) | 10 32 –10 34 | sim |
SUSY SO (10) | 10 32 –10 35 | Parcialmente |
SUSY SU (5) ( MSSM ) | ~ 10 34 | Parcialmente |
SUSY SU (5) - 5 dimensões | 10 34 - 10 35 | Parcialmente |
Mínimo (básico) SO (10) - Não SUSY | <~ 10 35 (intervalo máximo) | Não |
SUSY SO (10) MSSM G (224) | 2 · 10 34 | Não |
SU invertido (5) (MSSM) | 10 35 - 10 36 | Não |
O tempo de vida do próton no vanilla SU (5) pode ser ingenuamente estimado como . GUTs supersimétricos com escalas de reunificação em torno de µ ~ 2 × 10 16 GeV / c 2 rendem uma vida útil de cerca de 10 34 anos, aproximadamente o limite inferior experimental atual.
Operadores de decaimento
Operadores de decaimento de prótons Dimension-6
Os dimensão operadores -6 protão de decaimento são , , e onde é a escala de corte para o Modelo Padrão . Todos estes operadores violar tanto o número de bárions ( B ) e número leptônico ( L ) conservação, mas não a combinação B - L .
Nos modelos GUT , a troca de um bóson X ou Y com a massa Λ GUT pode levar aos dois últimos operadores suprimidos por . A troca de um trigêmeo Higgs com massa pode levar a todos os operadores suprimidos por . Veja o problema de divisão dupleto-tripleto .
Operadores de decaimento de prótons dimensão 5
Em supersymmetric extensões (tais como o MSSM ), que também pode ter dimensões-5 operadores envolvendo dois fermiones e dois sfermions causadas pela troca de um tripletino de massa M . Os sfermions então trocarão um gaugino ou Higgsino ou gravitino deixando dois férmions. O diagrama geral de Feynman tem um loop (e outras complicações devido à forte interação física). Essa taxa de decaimento é suprimida por onde M SUSY é a escala de massa dos superparceiros .
Operadores de decaimento de prótons de dimensão 4
Na ausência de paridade de matéria , extensões supersimétricas do modelo padrão podem dar origem ao último operador suprimido pelo quadrado inverso da massa do quark sdown . Isso se deve aos operadores de dimensão 4
q
ℓ
d͂
c e
você
c
d
c
d͂
c .
A taxa de decaimento do próton só é suprimida pelo que é muito rápida, a menos que os acoplamentos sejam muito pequenos.
Veja também
Referências
Leitura adicional
- C. Amsler; Particle Data Group (2008). "Review of Particle Physics - N Baryons" (PDF) . Physics Letters B . 667 (1): 1–6. Bibcode : 2008PhLB..667 .... 1A . doi : 10.1016 / j.physletb.2008.07.018 . hdl : 1854 / LU-685594 .
- K. Hagiwara; Particle Data Group (2002). "Review of Particle Physics - N Baryons" (PDF) . Physical Review D . 66 (1): 010001. bibcode : 2002PhRvD..66a0001H . doi : 10.1103 / PhysRevD.66.010001 .
- F. Adams; G. Laughlin (19/06/2000). As Cinco Idades do Universo: Por Dentro da Física da Eternidade . ISBN 978-0-684-86576-8.
- LM Krauss (2001). Atom: Uma Odisséia do Big Bang à Vida na Terra . ISBN 978-0-316-49946-0.
- D.-D. Wu; T.-Z. Li (1985). "Decadência, aniquilação ou fusão de prótons?". Zeitschrift für Physik C . 27 (2): 321–323. Bibcode : 1985ZPhyC..27..321W . doi : 10.1007 / BF01556623 . S2CID 121868029 .
- P. Nath; P. Fileviez Perez (2007). "Estabilidade de prótons nas grandes teorias unificadas, nas cordas e nas branas". Relatórios de Física . 441 (5–6): 191–317. arXiv : hep-ph / 0601023 . Bibcode : 2007PhR ... 441..191N . doi : 10.1016 / j.physrep.2007.02.010 . S2CID 119542637 .