Decaimento de prótons - Proton decay

O padrão de isospins fracos , hipercargas fracas e cargas de cor para partículas no modelo de Georgi-Glashow . Aqui, um protão, que consiste de duas até quark e um para baixo, decai para um pião, que consistem de um para cima e anti-up, e um de positrões, por meio de um Higgs X com carga eléctrica - 4 / 3 .

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

Problema não resolvido na física :

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 :


p+
 
→  
e+
  +
π0
  └ →   2
γ

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+23  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

Paridade R violando decay.svg

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




c e
você
c
d
c

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

links externos