Proton henfald

Protonhenfald  er en hypotetisk form for radioaktivt henfald, hvor en proton henfalder til lettere subatomære partikler, såsom en (neutral) pion og en positron . Dette fænomen er endnu ikke blevet observeret, men muligheden for at bevise dets realitet er af stigende interesse i forbindelse med udsigterne til " Grand Unified Theory" (GUT: Grand Unified Theory) [1] .

Protonen har længe været betragtet som en absolut stabil partikel , selvom der aldrig har været seriøs grund til en sådan tillid, da der tilsyneladende ikke er nogen grundlæggende fysisk lov, der forbyder dens henfald [2] . Forbuddet mod nedbrydning af protonen (den letteste af baryonerne ) er forbundet med den empiriske lov om bevarelse af baryontallet , men denne lov i sig selv har ikke en dyb teoretisk begrundelse - den bevarede mængde er ikke forbundet med noget rum -tidssymmetri (i modsætning til for eksempel fra loven om bevarelse af energi ) og har ikke karakter af en måleladning (i modsætning til for eksempel loven om bevarelse af elektrisk ladning ).

I tilfælde af protonustabilitet er alle atomkerner radioaktive (omend med meget lange halveringstider ).

Historie

Muligheden for protonnedbrydning har været af interesse for fysikere siden 30'erne af det XX århundrede , men i de seneste årtier er dette problem blevet særligt vigtigt. På trods af at opfattelsen om protonens absolutte stabilitet altid har hvilet på vaklende teoretiske præmisser, tiltrak dette problem kun lidt opmærksomhed indtil 1974 , hvor der blev udviklet en række teoretiske grand unification- modeller (GUT'er), hvor protonnedbrydning ikke kun er tilladt , men også helt bestemt forudsagt. [2]

Det første sådant forsøg blev lavet i 1973 af Abdus Salam og Jogesh Pati Imperial College London . Et par måneder senere lagde Harvards teoretiske fysikere Sheldon Glashow og Howard Georgi deres egen version af GUT, der tilbyder de første modeller til beregning af protonlevetiden .

I 1986 viste et eksperiment en nedre grænse på 3,1⋅10 32 år for henfaldskanalen til en positron og en neutral pion [3] .

Levetidsværdierne opnået i de enkleste versioner af disse modeller (mere end år) er mange størrelsesordener større end universets alder (ca. år) [1] . Den minimale SU(5) -model ( Georgi-Glashow model ) forudsagde levetiden for en proton under henfald til en neutral pion og en positron i størrelsesordenen 10 31 år . Eksperimenter udført af 1990 ( Kamiokande en og en række andre) viste, at levetiden for en proton under henfald gennem denne kanal overstiger denne værdi. Som følge heraf blev den minimale SU(5) grand foreningsmodel "lukket". I dag er den bedste nedre grænse for levetiden for en proton, der henfalder gennem denne kanal, 1,6⋅10 34 år ( Super-Kamiokande eksperiment ) [4] .

Derudover forudsiges ikke-konservering af baryontal i supersymmetriteorier , og påvisning af protonhenfald ville validere dem samt forklare supersymmetribrud i den nuværende epoke. På samme tid, selvom det spontane henfald af protonen ikke er forbudt af loven om bevarelse af energi , er sandsynligheden for denne proces meget lille på grund af den enorme masse af den mellemliggende virtuelle partikel, som skulle være født i dette tilfælde. For eksempel forudsiger minimal SU(5)-modellen udseendet i dette tilfælde af en mellemliggende virtuel partikel med en masse på 10 15 GeV [1] (≈ 1,78⋅10 −9 g, hvilket er sammenligneligt med massen [5] af 1000 gennemsnitlige bakterier ).

Eksperimentel søgning

Da henfaldet af en proton er en tilfældig proces, blev det foreslået at vælge et stort volumen vand som observationsobjekt, hvoraf en kubikmeter indeholder omkring 6⋅10 29 nukleoner (hvoraf omkring halvdelen er protoner). Hvis Georgi og Glashows teori er korrekt, og hver proton har en chance i ~10 31 for at henfalde i et bestemt år, så burde teoretisk observation af henfaldet af mindst et par protoner i et multi-ton vandmål i løbet af året være reelt.

Fysikere organiserede adskillige eksperimenter i stor skala, hvorunder det skulle observere henfaldet af mindst enkelte protoner. Da glimt af den såkaldte Cherenkov-stråling , som signalerer dannelsen af ​​nye partikler (inklusive som følge af protonhenfald), kan være forårsaget af kosmiske stråler, blev det besluttet at udføre eksperimentet dybt under jorden. IMB (Irvin-Michigan-Brookhaven) -detektoren er placeret i en tidligere saltmine ved bredden af ​​Lake Erie i Ohio . Her var 7000 tons vand omgivet af 2048 fotomultiplikatorer . Parallelt hermed skabte en gruppe videnskabsmænd fra Tokyos Universitet og en række andre videnskabelige organisationer [6] i Kamioka underjordiske laboratorium Kamiokande-detektoren ( Kamiokande - Kamioka Nucleon Decay Experiment), hvor 3000 tons vand blev set. med 1000 fotomultiplikatorer. I slutningen af ​​1980'erne var der dog ikke registreret et eneste tilfælde af protonhenfald. I 1995 byggede Kamiokande-samarbejdet en ny detektor, der øgede vandmassen til 50.000 tons ( Super-Kamiokande ). Observationer af denne detektor fortsætter den dag i dag, men resultatet af protonhenfaldssøgninger på det opnåede følsomhedsniveau er stadig negativt [1] [4] .

Ud over henfald til en pion og en positron (den nuværende grænse for levetiden for denne kanal, som nævnt ovenfor, er 1,6⋅10 34 år ), blev der udført eksperimentelle søgninger efter over 60 andre muligheder for henfaldskanaler, både for proton og for neutronen (i sidstnævnte tilfælde betyder ikke standard beta-henfald af neutronen , men henfaldet med ikke-konservering af baryontallet , for eksempel n → μ + π - ). Da den foretrukne henfaldskanal generelt er ukendt, etableres eksperimentelle nedre grænser for protonlevetiden også, uanset henfaldskanalen. Den bedste af dem er i øjeblikket lig med 1,1⋅10 26 år [4] . Den nedre grænse for levetiden af ​​en proton under henfald med dannelse af kun "usynlige" partikler (det vil sige, at de ikke deltager i stærke eller elektromagnetiske interaktioner, såsom neutrinoer) er 3,6⋅10 29 år [4] . En protons henfald gennem "usynlige" kanaler overtræder ikke kun lovene om bevarelse af baryontallet, men også for den elektriske ladning; dette gælder ikke for neutronhenfald.

Selvom proton- og antiprotonlevetiden forventes at være den samme, er der opnået eksperimentelle nedre grænser for antiprotonlevetiden. De er væsentligt ringere end grænserne for protonlevetiden: den bedste grænse er kun omkring 10 7 år [4] .

Nogle teorier forudsiger også henfaldet af par eller tripletter af nukleoner (med en ændring i baryontallet med 2 eller 3 enheder) med stabiliteten af ​​enkelte nukleoner. For forskellige henfaldskanaler af "dynukleoner" (par pp , nn , pn ) i jernkerner er de nedre grænser for kernens levetid sat til niveauet ⋅10 30 —⋅10 32 år [4] .

Det er således fundet, at protonen er mindst 1000 gange mere stabil end forudsagt i minimal SU(5) teorien. I forskellige versioner af teorien om supersymmetri forudsiges levetiden for en proton på niveauet af aktuelt etablerede grænser og derover. For at teste denne teori blev LAGUNA -projektet [7] organiseret med en følsomhed på 10 35 år . Det antages også, at Large Hadron Collider vil spille en vigtig rolle i løsningen af ​​dette problem , ved hjælp af hvilken teorien om supersymmetri kunne bekræftes eksperimentelt [1] .

Se også

• baryon ladning
• Neutron-antineutron-oscillationer  - en anden hypotetisk proces, der ikke bevarer baryontallet
• Neutron henfald
• Uløste problemer i moderne fysik

Noter

1. ↑ 1 2 3 4 5 BBC Focus , februar 2008. Verdens største mysterier. Protons henfald. Robert Mathews. pp. 68-73.
2. ↑ 1 2 Søger efter protonhenfald og supertunge magnetiske monopoler. BV Sreekantan.  (engelsk) . Hentet 11. november 2008. Arkiveret fra originalen 24. september 2015.
3. ↑ Optegnelser inden for videnskab og teknologi. Partikler og stoffer De mest og mindst stabile . Hentet 23. juni 2021. Arkiveret fra originalen 24. juni 2021. (Russisk)
4. ↑ 1 2 3 4 5 6 Zyla PA et al. (Partikeldatagruppe). 2020 Gennemgang af partikelfysik   // Prog . Theor. Exp. Phys. - 2020. - Bd. 2020 . — S. 083C01 . Partikellister: Proton. Arkiveret 20. marts 2021 på Wayback Machine
5. ↑ Sanyuk V. Magnetiske monopoler: håb og realiteter // Encyklopædi for børn. Fysik. Del 2 / kapitel. udg. V. Volodin. - M . : Avanta +, 2001. - S. 51.
6. ↑ Denne form for fælles storskalaeksperimenter i fysik kaldes et samarbejde.
7. ↑ Laguna-  projektet . Hentet 27. april 2010. Arkiveret fra originalen 20. marts 2012.

Links

• Kompilering af eksperimentelle data om nukleons levetid på Particle Data Groups hjemmeside [1]
• Fysik af elementære dele del 2. Valery Rubakov. Hvad ligger bag mikrokosmos kendte love Om forfatteren
• Laguna-projektet
• Protonhenfald og "termisk død" af universet. John A Gowan, Cornell University
• Weinberg S. Nedbrydning af protonen  // Fysisk. - 1982. - Maj ( bind 137 ). — S. 151–172 .
• Cosmicum. Elementære partikler og kræfter i naturen