Desintegración de protones - Proton decay

El patrón de isospins débiles , hipercargas débiles y cargas de color para partículas en el modelo de Georgi-Glashow . Aquí, un protón, que consiste en dos quarks arriba y una abajo, se desintegra en un pión, que consta de un arriba y anti-arriba, y un positrón, a través de un Higgs X 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 esfuerzo experimental significativo, nunca se ha observado la desintegración de protones. Si se desintegra a través de un positrón, la vida media del protón está limitada a ser al menos1,67 × 10 ³⁴ años.

De acuerdo con el Modelo Estándar , el protón, un tipo de barión , es estable porque el número de bariones ( número de quarks ) se conserva (en circunstancias normales; ver anomalía quiral como excepción). Por lo tanto, los protones no se descompondrán en otras partículas por sí mismos, porque son los bariones más ligeros (y por lo tanto menos energéticos). La emisión de positrones , una forma de desintegración radiactiva en la que un protón se convierte en neutrón, no es una 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 desintegran a través de la partícula de Higgs , los monopolos magnéticos o los nuevos bosones X con una vida media de 10 ³¹ a 10 ³⁶ años. A modo de comparación, el universo tiene aproximadamente 10 ¹⁰ años . Hasta la fecha, todos los intentos de observar nuevos fenómenos predichos por GUT (como la desintegración de protones o la existencia de monopolos magnéticos) han fracasado.

El efecto túnel cuántico puede ser uno de los mecanismos de la desintegración de protones.

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

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

Bariogénesis

Uno de los problemas sobresalientes de la física moderna es el predominio de la materia sobre la antimateria en el universo . El universo, en su conjunto, parece tener una densidad numérica de bariones positiva distinta de cero, es decir, la materia existe. Dado que en cosmología se asume que las partículas que vemos fueron creadas usando la misma física que medimos hoy, normalmente se esperaría que el número de bariones total 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 contraposición a la antimateria) bajo ciertas condiciones. Este desequilibrio habría sido excepcionalmente pequeño, del orden de 1 en cada10 000 000 000 (10 ¹⁰ ) partículas una pequeña fracción de segundo después del Big Bang, pero después de que la mayor parte de la materia y la antimateria fueron aniquiladas, lo que quedó fue toda la materia bariónica en el universo actual, junto 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, invocando típicamente reacciones mediadas por bosones X muy masivos (
X
) o bosones de Higgs masivos (
H⁰
). La velocidad a la que ocurren estos eventos está gobernada en gran parte por la masa del intermedio
X
o
H⁰
partículas, así que asumiendo que estas reacciones son responsables de la mayoría del número de bariones visto hoy, se puede calcular una masa máxima por encima de la cual la velocidad sería demasiado lenta para explicar la presencia de materia en la actualidad. Estas estimaciones predicen que un gran volumen de material presentará ocasionalmente una desintegración espontánea de protones.

Evidencia experimental

La desintegración de protones es una de las predicciones clave de las diversas grandes teorías unificadas (GUT) propuestas en la década de 1970, y otra importante es 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 de1,67 × 10 ³⁴ 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 de1,08 × 10 ³⁴ años a través de la desintegración de antimuon , cercano a una predicción de supersimetría (SUSY) de 10 ³⁴ –10 ³⁶  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 desintegración de protones, algunas teorías de gran unificación , como el modelo SU (5) Georgi-Glashow y SO (10) , junto con sus variantes supersimétricas, lo requieren. Según tales teorías, el protón tiene una vida media de aproximadamente 10 ³¹ ~ 10 ³⁶  años y se desintegra en un positrón y un pión neutro que, a su vez, se desintegra inmediatamente en dos fotones de rayos gamma :

pag+	→	mi+	+	π0
				└ →	2 γ

Dado que un positrón es un antileptón, esta desintegración conserva el número B - L , que se conserva en la mayoría de las GUT .

Hay disponibles modos de decaimiento adicionales (por ejemplo:
pag⁺
→
μ⁺
+
π⁰
), tanto directamente como cuando se catalizan mediante la interacción con monopolos magnéticos predichos de GUT . Aunque este proceso no se ha observado experimentalmente, está dentro del ámbito de la capacidad de prueba experimental para los futuros detectores planificados a muy gran escala en la escala de megatones. Tales detectores incluyen el Hyper-Kamiokande .

Las primeras teorías de gran unificación (GUT), como el modelo de Georgi-Glashow , que fueron las primeras teorías consistentes en sugerir la desintegración de los protones, postulaban que la vida media del protón sería de al menos 10 ³¹  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 ser inferior a 10 ³²  años. Muchos libros de ese período se refieren a esta cifra para el posible tiempo de descomposición de la materia bariónica. Los hallazgos más recientes han llevado la vida media mínima del protón a al menos 10 ³⁴ ~ 10 ³⁵  años, descartando las GUT más simples (incluidos los modelos mínimos SU (5) / Georgi-Glashow) y la mayoría de los modelos que no son SUSY. El límite superior máximo de la vida útil de los protones (si es inestable) se calcula en 6 × 10 ³⁹ años, un límite aplicable a los modelos SUSY, con un máximo para las GUT no SUSY (mínimas) de 1,4 × 10 ³⁶ años.

Aunque el fenómeno se conoce como "desintegración de protones", el efecto también se vería en los neutrones unidos dentro de los núcleos atómicos. Ya se sabe que los neutrones libres, aquellos que no están dentro de un núcleo atómico, se descomponen en protones (y un electrón y un antineutrino) en un proceso llamado desintegración beta . Los neutrones libres tienen una vida media de 14+2 ⁄ 3  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

La vida útil del protón en vainilla SU (5) puede estimarse ingenuamente como . GUT supersimétricas con escalas de reunificación alrededor de µ ~${\ Displaystyle \ tau _ {p} \ sim {\ frac {M_ {X} ^ {4}} {m_ {p} ^ {5}}}}$ 2 × 10 ¹⁶  GeV / c ² producen una vida útil de alrededor de 10 ³⁴  años, aproximadamente el límite inferior experimental actual.

Operadores de decaimiento

Operadores de desintegración de protones de dimensión 6

Los dimensión operadores de desintegración -6 de protones son , , y donde es la escala de corte para el modelo estándar . Todos estos operadores violan tanto el número de bariones ( B ) y el número de leptones ( L ) la conservación, pero no la combinación B  -  L . ${\ Displaystyle {\ frac {qqql} {\ Lambda ^ {2}}}}$${\ Displaystyle {\ frac {d ^ {c} u ^ {c} u ^ {c} e ^ {c}} {\ Lambda ^ {2}}}}$${\ Displaystyle {\ frac {{\ overline {e ^ {c}}} {\ overline {u ^ {c}}} qq} {\ Lambda ^ {2}}}}$${\ Displaystyle {\ frac {{\ overline {d ^ {c}}} {\ overline {u ^ {c}}} ql} {\ Lambda ^ {2}}}}$${\ Displaystyle \ Lambda}$

En los modelos GUT , el intercambio de un bosón X o Y con la masa Λ _GUT puede llevar a que los dos últimos operadores sean suprimidos por . El intercambio de un triplete de Higgs con masa puede llevar a que todos los operadores sean suprimidos por . Ver problema de división de doblete-triplete . ${\ Displaystyle {\ frac {1} {\ Lambda _ {GUT} ^ {2}}}}$${\ Displaystyle M}$${\ Displaystyle {\ frac {1} {M ^ {2}}}}$

• Desintegración de protones. Estos gráficos se refieren a los bosones X y a los bosones de Higgs .
• 

  Desintegración de protones de dimensión 6 mediada por el
  bosón X (3,2)
  _{- 5 ⁄ 6} en SU ​​(5) GUT

• 

  Desintegración de protones de dimensión 6 mediada por el
  bosón X (3,2)
  _{1 ⁄ 6} en SU ​​(5) GUT volteado

• 

  Desintegración de protones de dimensión 6 mediada por el
  triplete Higgs T (3,1)
  _{- 1 ⁄ 3}y el
  anti-triplete Higgs T ( 3 , 1)
  _{1 ⁄ 3} en SU ​​(5) GUT

Operadores de desintegración de protones de dimensión 5

En supersimétricas extensiones (como el MSSM ), también podemos tener Dimensión-5 operadores que participan dos fermiones y dos sfermions causadas por el intercambio de un tripletino de masa M . Los esfermiones luego intercambiarán un gaugino o Higgsino o gravitino dejando dos fermiones. El diagrama de Feynman general tiene un bucle (y otras complicaciones debido a la fuerte interacción física). Esta tasa de decaimiento es suprimida por donde M _SUSY es la escala de masa de las supercompañeras . ${\ displaystyle {\ frac {1} {MM_ {SUSY}}}}$

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 cuadrado inverso de la masa del quark sdown . Esto se debe a los operadores de dimensión 4
q

ℓ

D
^c y
tu
^C
D
^C
D
^c .

La tasa de desintegración de protones solo se suprime, lo que es demasiado rápido, a menos que los acoplamientos sean muy pequeños. ${\ Displaystyle {\ frac {1} {M_ {SUSY} ^ {2}}}}$

Ver también

• Edad del universo
• B - L
• Agujero negro virtual
• Hipercarga débil
• Bosones X e Y

Referencias

Otras lecturas

• C. Amsler; Grupo de datos de partículas (2008). "Revisión de la física de partículas - N bariones" (PDF) . Physics Letters B . 667 (1): 1–6. Código Bibliográfico : 2008PhLB..667 .... 1A . doi : 10.1016 / j.physletb.2008.07.018 . hdl : 1854 / LU-685594 .
• K. Hagiwara; Grupo de datos de partículas (2002). "Revisión de la física de partículas - N bariones" (PDF) . Physical Review D . 66 (1): 010001. Código bibliográfico : 2002PhRvD..66a0001H . doi : 10.1103 / PhysRevD.66.010001 .
• F. Adams; G. Laughlin (19 de junio de 2000). Las cinco edades del universo: dentro de la física de la eternidad . ISBN 978-0-684-86576-8.
• LM Krauss (2001). Átomo: una odisea desde el Big Bang hasta la vida en la Tierra . ISBN 978-0-316-49946-0.
• D.-D. Wu; T.-Z. Li (1985). "¿Desintegración, aniquilación o fusión de protones?". Zeitschrift für Physik C . 27 (2): 321–323. Código bibliográfico : 1985ZPhyC..27..321W . doi : 10.1007 / BF01556623 . S2CID  121868029 .
• P. Nath; P. Fileviez Pérez (2007). "Estabilidad de protones en grandes teorías unificadas, en cadenas y en branas". Informes de física . 441 (5–6): 191–317. arXiv : hep-ph / 0601023 . Código Bibliográfico : 2007PhR ... 441..191N . doi : 10.1016 / j.physrep.2007.02.010 . S2CID  119542637 .

enlaces externos

• Decaimiento de protones en Super-Kamiokande
• Historia pictórica del experimento IMB
• Luciano Maiani (8 de febrero de 2006). El problema de la desintegración de protones (PDF) . Tercer Taller Internacional NO-VE sobre Oscilaciones de Neutrinos en Venecia . Venecia.