Перегляд вихідного коду сторінки Розпад протона

''Ця стаття є про розпад протонів в субатомних частинках. Для радіоактивного типу розпаду, в якому ядро виділяє протон, див. [[протонний розпад]].''

[[File:Proton decay.svg|300px|right|thumb|Співвідношення [[ізоспін|слабкого ізоспіна]] з [[гіперзаряд|слабким гіперзарядом]] і [[Колірний заряд|колірним зарядом]] для частинок в {{iw|Модель Джорджі-Ґлешоу|моделі Джорджі-Ґлешоу|en|Georgi–Glashow model}}. В такій моделі протон, що складається з двох [[U-кварк|u-кварків]] і одного [[D-кварк|d-кварка]], розпадається на [[Піони|пі-мезон]], що складається з u-кварка та u-антикварка, та позитрон, через новий Х-бозон із електричним зарядом –4/3. ]]

У фізиці елементарних частинок, '''розпад протона''' є [[Гіпотеза|гіпотетичною]] формою радіоактивного розпаду, в якій [[протон]] розпадається на легші субатомні частинки, такі як нейтральний [[піон]] і [[позитрон]].<ref>Radioactive decays by Protons. Myth or reality?, [[Ishfaq Ahmad]], The Nucleus, 1969. pp 69-70</ref> На сьогодні немає експериментальних підтверджень, що розпад протона відбувається.

У [[Стандартна модель|Стандартній моделі]], протони, що входять до класу [[Баріони|баріонів]], є стабільними, оскільки [[баріонний заряд|баріонне число]] (число [[Кварк|кварків]]) зберігається (в нормальних умовах, однак, є і аномальні випадки). Таким чином, протони не можуть розпадатися на інші частинки самостійно, оскільки вони є найлегшими (а отже, найменш енергетичними) баріонами.

Деякі [[теорії великого об'єднання]] (ТВО) поза Стандартною моделлю явно порушують симетрію баріонного числа, що дозволяє протонам розпадатися з допомогою [[Бозон Хіггса|частинки Хіггса]], [[магнітний монополь|магнітних монополів]] або нових [[X-бозон]]ів. Розпад протона є одним з ефектів запропонованих ТВО, які не вдалось виявити в експерименті. Однак, існують теоретичні моделі порушення закону збереження баріонного числа без розпаду протона. Серед прикладів можна навести гіпотетичні осциляції [[Нейтрон|нейтронів]]-[[Антинейтрон|антинейтронів]], або процес під назвою "{{Не перекладено|сфалерон|сфалерон|en|Sphaleron}}", що очікується при надзвичайно високих енергіях та полягає в перетворенні протонів в анти-[[Лептон|лептони]] та навпаки.

== Баріогенезис ==
{{Основна стаття|Баріогенезис}}
Одною з невирішених проблем в сучасній фізиці є причина переважання [[Матерія (фізика)|матерії]] над [[Антиматерія|антиматерією]] у [[Всесвіт]]і. Всесвіт, в цілому, має ненульову позитивну густину [[Баріонне число|баріонного числа]]&nbsp;— тобто, він створений з матерії, а не антиматерії. В [[Космологія|космології]] панує думка, що частинки, які ми спостерігаємо у Всесвіті в наш час, були створені тими ж законами фізики, якими ми користуємося сьогодні. В такому випадку, можна було б очікувати, що загальне число [[Баріони|баріонів]] має дорівнювати нулю, оскільки матерія і антиматерія мали бути утвореними у [[Великий вибух|Великому Вибуху]] в рівних кількостях. Цей парадокс є приводом до численних запропонованих механізмів [[Спонтанне порушення симетрії|порушення симетрії]], які сприяють створенню звичайної матерії (а не антиматерії) за певних умов. Навіть якби ця асиметрія була би надзвичайно малою за частку секунди після Великого Вибуху, порядку 1 частинки з кожних 10 000 000 000 (10<sup>10</sup>), – після того, як більшість з матерії і антиматерії [[Анігіляція|анігілювало]], те, що залишилося створило б  баріонну матерію в сучасному всесвіті, поряд з значно більшим числом [[Бозон|бозонів]]. 

Експерименти, представлені в 2010 році в [[Національна прискорювальна лабораторія ім. Енріко Фермі|лабораторії Фермі]], показали, що цей дисбаланс може бути набагато більшим, ніж передбачалося раніше. У зіткненнях протонів та антипротонів, кількість виділеної матерії становило приблизно на 1% більше, ніж кількість виділеної антиматерії. Причина цієї розбіжності поки невідома, цей результат також поки що не є підтвердженим іншими експериментами.<ref>
{{cite arXiv
 |author=V.M. Abazov
 |date=2010
 |title=Evidence for an anomalous like-sign dimuon charge asymmetry  |eprint=1005.2757
|display-authors=etal}}</ref><ref>{{Cite web|title=DØ sees anomalous asymmetry in decays of B mesons|url=https://cerncourier.com/a/d-sees-anomalous-asymmetry-in-decays-of-b-mesons/|website=CERN Courier|date=2010-07-20|accessdate=2021-01-27|language=en-GB|archive-date=1 лютого 2021|archive-url=https://web.archive.org/web/20210201215051/https://cerncourier.com/a/d-sees-anomalous-asymmetry-in-decays-of-b-mesons/}}</ref><br />Більшість [[Теорії великого об'єднання|теорій великого об'єднання]] явно порушують закон збереження [[Баріонний заряд|баріонного числа]], що дозволило б пояснити відмінність матерії та антиматерії. Як правило, в таких теоріях розглядається обмін дуже масивними [[X-бозон]]ами або [[бозон Хіггса|бозонами Хіггса]] (H<sup>0</sup>). Швидкість, з якою ці події відбуваються, в значній мірі визначається масою проміжного X або H<sup>0</sup> бозона. Отже, якщо припустити, що ці реакції відповідальні за існування сьогоденної баріонної матерії, можна обчислити максимальну масу частинки, вище якої буде процес відбуватиметься занадто повільно, щоб пояснити кількість матерії у наш час. Ці оцінки передбачають, що у достатньо великій кількості матерії іноді проявляється спонтанний розпад протона.

== Експериментальні дані ==

Розпад протона є одним з небагатьох передбачених ефектів різних запропонованих ТВО, які не вдалося підтвердити експериментально. Іншим прикладом таких ефектів є [[магнітний монополь|магнітні монополі]]. Вони стали в центрі уваги великих експериментальних робіт з фізики, починаючи з початку 1980-х. Розпад протона на той час був надзвичайно захоплюючою областю експериментальних досліджень в фізиці. Станом на сьогодні{{коли}}, всі спроби спостерігати ці явища є невдалими. Найточніші результати походять з експерименту на водному детекторі [[Черенковське випромінювання|черенковського випромінювання]] [[Супер-Каміоканде]], що розташований в Японії. Найнижча межа для періоду напіврозпаду протонів була встановлена у 1,67×10<sup>34</sup> років через позитронний розпад<ref name=":0">{{Cite web|title=The proton laid bare|url=https://cerncourier.com/a/the-proton-laid-bare/|website=CERN Courier|date=2019-05-08|accessdate=2021-01-27|language=en-GB|archive-date=2 лютого 2021|archive-url=https://web.archive.org/web/20210202000626/https://cerncourier.com/a/the-proton-laid-bare/}}</ref>, та у 1,08×10<sup>34</sup> років через анти-мюонний розпад<ref>{{Cite news|title=Search for Proton Decay via p → e + π 0 and p → μ + π 0 in a Large Water Cherenkov Detector|first3=K.|first9=Y.|last8=Kobayashi|first8=K.|last7=Kameda|first7=J.|last6=Ikeda|first6=M.|last5=Iida|first5=T.|last4=Hayato|first4=Y.|last3=Abe|last2=Clark|url=https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.102.141801|first2=S.|last=Nishino|first=H.|language=en|issue=14|volume=102|pages=141801|doi=10.1103/PhysRevLett.102.141801|issn=0031-9007|accessdate=2021-01-27|date=2009-04-08|work=Physical Review Letters|last9=Koshio}}</ref>, що наближається до передбачень [[Теорія суперсиметрії|теорії суперсиметрії]] у 10<sup>34</sup>–10<sup>36</sup> років. Модернізований детектор Гіпер-Каміоканде та інші зможуть уточнити ці результати в 5–10 разів<ref name=":0" />. Для порівняння, вік Всесвіту оцінюється у приблизно 10<sup>10</sup> років<ref>{{Cite web|title=Do protons decay?|url=https://www.symmetrymagazine.org/article/do-protons-decay|website=symmetry magazine|accessdate=2021-01-27|language=en|first=Matthew R.|last=Francis|archive-date=16 січня 2021|archive-url=https://web.archive.org/web/20210116122610/https://www.symmetrymagazine.org/article/do-protons-decay}}</ref>.

== Теоретична мотивація ==
[[File:Proton decay GUT simple.svg|thumb|Діаграма розпаду протона в [[Теорії великого об'єднання|Теоріях великого об'єднання]].]]
Незважаючи на відсутність експериментальних спостережень розпаду протона, деякі теорії великого об'єднання, такі як моделі Джорджі-Ґлешоу, потребують його. На думку деяких подібних теорій, протон має період напіврозпаду близький до 10<sup>36</sup> років, і розпадається на [[позитрон]] і нейтральний [[піон]], що сам по собі відразу розпадається на 2 [[Гамма-промені|гамма-кванти]]:

* p<sup>+</sup>  →  e<sup>+</sup> + π<sup>0</sup>
* π<sup>0</sup>  →  2γ

Оскільки позитрон є антилептоном, цей розпад зберігає квантове число [[B−L|B-L]], яке зберігається в більшості ТВО.

Доступні також додаткові режими розпаду (наприклад, анти-мюонний р<sup>+</sup> → μ<sup>+</sup> + π<sup>0</sup>),<ref name="Nishino">
{{cite journal|author=H. Nishino|author2=Super-K Collaboration|author2-link=Super-Kamiokande|date=2012 04 05|title=Search for Proton Decay via {{SubatomicParticle|Proton+}} &rarr; {{SubatomicParticle|Positron}}{{SubatomicParticle|pion0}} and {{SubatomicParticle|Proton+}} &rarr; {{SubatomicParticle|Muon+}}{{SubatomicParticle|pion0}} in a Large Water Cherenkov Detector|journal=[[Physical Review Letters]]|volume=102|issue=14|pages=141801|bibcode=2009PhRvL.102n1801N|doi=10.1103/PhysRevLett.102.141801}}</ref> як напряму, так (в [[Теорії великого об'єднання|Теоріях великого об'єднання]]) і через [[магнітний монополь|магнітні монополі]].<ref>{{cite journal
 |author       = [[B. V. Sreekantan]]
 |date         = 1984
 |title        = Searches for Proton Decay and Superheavy Magnetic Monopoles
 |url          = http://www.ias.ac.in/jarch/jaa/5/251-271.pdf
 |journal      = [[Journal of Astrophysics and Astronomy]]
 |volume       = 5
 |issue        = 3
 |pages        = 251&ndash;271
 |doi          = 10.1007/BF02714542
 |bibcode      = 1984JApA....5..251S
 |accessdate   = 30 листопада 2015
 |archive-date = 24 вересня 2015
 |archive-url  = https://web.archive.org/web/20150924044938/http://www.ias.ac.in/jarch/jaa/5/251-271.pdf
}}</ref>. Хоча жоден з цих процесів не спостерігався експериментально, він є в межах області чутливості майбутніх наймасштабніших детекторів вагою в кілька мегатонн, таких як [[Hyper-Kamiokande]].

Ранні [[теорії великого об'єднання]], такі як моделі Джорджі-Ґлешоу, були першими послідовними теоріями розпаду протона, що постулювали період напіврозпаду протона щонайменше в 10<sup>31</sup> років. Коли подальші експерименти і розрахунки були виконані в 1990-х роках, стало очевидним, що період напіврозпаду протона не може бути коротшим за 10<sup>32</sup> років. Багато книг з цього періоду розглядають період у 10<sup>32</sup> років можливим типовим часом загасання баріонної матерії.

Хоча це явище називається "розпад протона", ефект також може проявлятися в [[нейтрон]]ах, що зв'язані всередині атомних ядер. Вільні нейтрони — ті, що не є всередині атомного ядра, як вже відомо, розпадаються на протони (а також електрон і антинейтрино) в процесі, відомому як [[бета-розпад]]. Вільні нейтрони мають період напіврозпаду близько 10 хвилин (613,9 ± 0,8 с)<ref name="RPP">{{cite journal
 |author=W.-M. Yao
 |display-authors=etal
 |date=2006
 |title=Review of Particle Physics – ''N'' Baryons  |url=http://pdg.lbl.gov/2006/tables/bxxx.pdf
 |journal=[[Journal of Physics G]]
 |volume=33
 |issue=
 |pages=1
 |doi=10.1088/0954-3899/33/1/001
 |arxiv=astro-ph/0601168
 |bibcode=2006JPhG...33....1Y
 |accessdate=30 листопада 2015
 |archive-date=25 січня 2017
 |archive-url=https://web.archive.org/web/20170125085003/http://pdg.lbl.gov/2006/tables/bxxx.pdf
 }}</ref> через [[слабка взаємодія|слабку взаємодію]]. Нейтрони, зв'язані у атомному ядрі, мають набагато більший період піврозпаду — настільки ж довгий, як і у протона.

== Оператори розпаду ==
===Оператори розпаду протона розмірності–6===
Операторами розпаду протона [[Розмірність фізичної величини|розмірності]]–6 є <math>\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}</math> i <math>\frac{\overline{d^c}\overline{u^c}ql}{\Lambda^2}</math>, де Λ є типовим масштабом енергії для Стандартної моделі. Всі ці оператори порушують [[баріонне число|баріонне]] (B) і [[лептонне число]] (L), але не їх поєднання [[B−L|B - L]].

У моделях [[Теорії великого об'єднання|ТВО]], обмін Х або Y-бозоном з масою Λ<sub>GUT</sub> може призвести до пригнічення двох останніх операторів членом  <math>\frac{1}{\Lambda_{GUT}^2}</math>. Обмін триплетним бозоном Хіггса з масою М може призвести до пригнічення всіх операторів, пропорційних до 1/М<sup>2</sup>. 

<gallery caption="Розпад протона.  Ці діаграми відносяться до [[X-бозон|бозонів Х]] і [[Бозон Гіггса|Бозонів Хіггса]]." widths="200px" heights="250px" perrow="3">
Image:Proton decay2.png|Оператор розпаду протона розмірності–6 за участі X-бозона (3,2){{su|b=−{{frac|5|6}}}} в SU(5) ТВО
Image:proton decay3.svg|Оператор розпаду протона розмірності–6 за участі X-бозона (3,2){{su|b={{frac|1|6}}}} при ударі SU(5) ТВО
Image:proton decay4.png|Оператор розпаду протона розмірності–6 за участю триплету бозонів Хіггса T (3,1){{su|b=−{{frac|1|3}}}} і анти-триплету {{overline|T}} ({{overline|3}},1){{su|b={{frac|1|3}}}} в SU(5) ТВО

</gallery>

===Оператори розмірності–5 розпаду протона===
У [[Суперсиметрія|суперсиметричних]] розширеннях Стандартної моделі (наприклад, [[МССМ]]), ми також можемо мати оператори розмірності 5, що пов'язують два [[Ферміон|ферміони]] і два [[Сферміон|сферміони]], з допомогою обміну суперсиметричної частинки маси М. Сферміонах можуть обмінюватись [[гайджіно]], [[хіггсіно]] або [[Гравітино|гравітіно]], перетворюючись на два ферміони. В такому випадку, [[діаграма Фейнмана]] матиме петлю (та інші ускладнення, зумовлені фізикою сильних взаємодій). Через це, швидкість такого розпаду буде пропорційна до  <math>\frac{1}{M M_{SUSY}} </math>, де M<sub>SUSY</sub> – величина маси [[Суперпартнер|суперпартнерів]].

===Оператори розмірності–4 розпаду протона===

[[Image:R-parity violating decay.svg|frame|right]]

У разі відсутності [[R-парність|R-парності]], суперсиметричне розширення Стандартної моделі може призвести до пригнічення останнього оператора, оскільки він містить в знаменнику квадрат маси нижнього [[Скварк|скварка]]. Це пов'язано з розмірністю-4 операторів {{SubatomicParticle|Quark}}{{SubatomicParticle|Lepton}}{{SubatomicParticle|Down squark}}<sup>c</sup> та {{SubatomicParticle|Up quark}}<sup>c</sup>{{SubatomicParticle|Down quark}}<sup>c</sup>{{SubatomicParticle|Down squark}}<sup>c</sup>. 

Швидкість розпаду протона в такому випадку пропорційна до <math>\frac{1}{M_{SUSY}^2}</math>, що є занадто швидко порівняно з віком Всесвіту, якщо константи зв'язку не надто малі.

== Див. також ==
* [[Віртуальна чорна діра]]
* [[Слабкий гіперзаряд]]
* [[B−L|B − L]]
* [[X та Y бозони]]

==Посилання==
{{Reflist}}
[[Категорія:Фізика елементарних частинок]]
[[Категорія:Протон]]