Protonsönderfall

protonsönderfall
 Mediafiler på Wikimedia Commons

Protonsönderfall  är en hypotetisk form av radioaktivt sönderfall där en proton sönderfaller till lättare subatomära partiklar, såsom en (neutral) pion och en positron . Detta fenomen har ännu inte observerats, men möjligheten att bevisa dess verklighet är av ökande intresse i samband med utsikterna för " Grand Unified Theory" (GUT: Grand Unified Theory) [1] .

Protonen har länge ansetts vara en absolut stabil partikel , även om det aldrig har funnits seriösa skäl för ett sådant förtroende, eftersom det tydligen inte finns någon grundläggande fysiklag som förbjuder dess sönderfall [2] . Förbudet mot sönderfallet av protonen (den lättaste av baryonerna ) är förknippat med den empiriska lagen om bevarande av baryonnumret , men denna lag i sig har inte en djup teoretisk motivering - den konserverade kvantiteten är inte associerad med något utrymme -tidssymmetri (till skillnad från till exempel lagen om energibevarande ) och har inte karaktären av en mätladdning (till skillnad från till exempel lagen om bevarande av elektrisk laddning ).

I fallet med protoninstabilitet är alla atomkärnor radioaktiva (om än med mycket långa halveringstider ).

Historik

Möjligheten för protonsönderfall har varit av intresse för fysiker sedan 30-talet av XX-talet , men under de senaste decennierna har detta problem blivit särskilt viktigt. Trots det faktum att åsikten om protonens absoluta stabilitet alltid vilat på skakiga teoretiska premisser, väckte denna fråga liten uppmärksamhet förrän 1974 , då ett antal teoretiska grand unification -modeller (GUT) utvecklades där protonsönderfall inte bara är tillåtet , men också helt definitivt förutspått. [2]

Det första försöket gjordes 1973 av Abdus Salam och Jogesh Pati Imperial College London . Några månader senare lade Harvards teoretiska fysiker Sheldon Glashow och Howard Georgi ut sin egen version av GUT, och erbjöd de första modellerna för att beräkna protonlivslängden .

1986 visade ett experiment en nedre gräns på 3,1⋅10 32 år för sönderfallskanalen till en positron och en neutral pion [3] .

Livstidsvärdena som erhålls i de enklaste versionerna av dessa modeller (mer än år) är många storleksordningar större än universums ålder (ungefär år) [1] . Den minimala SU(5) -modellen ( Georgi-Glashow model ) förutspådde livslängden för en proton under sönderfall till en neutral pion och en positron i storleksordningen 10 31 år . Experiment utförda av 1990 ( Kamiokande en och ett antal andra) visade att livslängden för en proton under sönderfall genom denna kanal överstiger detta värde. Som ett resultat av detta "stängdes" den minimala SU(5) grand unification-modellen. Idag är den bästa nedre gränsen för livslängden för en proton som sönderfaller genom denna kanal 1,6⋅10 34 år ( Super-Kamiokande- experiment ) [4] .

Dessutom förutsägs icke-konservering av baryonantal i supersymmetriteorier , och upptäckt av protonsönderfall skulle validera dem samt förklara supersymmetribrott i den nuvarande epoken. Samtidigt, även om det spontana sönderfallet av protonen inte är förbjudet av lagen om energibevarande , är sannolikheten för denna process mycket liten på grund av den enorma massan av den mellanliggande virtuella partikeln, som borde födas i detta fall. Till exempel förutsäger den minimala SU(5)-modellen utseendet i detta fall av en mellanliggande virtuell partikel med en massa på 10 15 GeV [1] (≈ 1,78⋅10 −9 g, vilket är jämförbart med massan [5] av 1000 genomsnittliga bakterier ).

Experimentell sökning

Eftersom sönderfallet av en proton är en slumpmässig process, föreslogs det att välja en stor volym vatten som observationsobjekt, varav en kubikmeter innehåller cirka 6⋅10 29 nukleoner (varav cirka hälften är protoner). Om Georgi och Glashows teori är korrekt, och varje proton har en chans på ~10 31 att sönderfalla under ett visst år, så borde teoretiskt sett observera sönderfallet av åtminstone några protoner i ett flertonsvattenmål under året.

Fysiker organiserade flera storskaliga experiment, under vilka det var tänkt att observera sönderfallet av åtminstone enstaka protoner. Eftersom blixtar av den så kallade Cherenkov-strålningen , som signalerar bildandet av nya partiklar (inklusive som ett resultat av protonsönderfall), kan orsakas av kosmiska strålar, beslutades det att genomföra experimentet djupt under jorden. IMB (Irvin-Michigan-Brookhaven) -detektorn är belägen i en före detta saltgruva vid stranden av Lake Erie i Ohio . Här omgavs 7000 ton vatten av 2048 fotomultiplikatorer . Parallellt i Japan skapade en grupp forskare från University of Tokyo och ett antal andra vetenskapliga organisationer [6] i Kamiokas underjordiska laboratorium Kamiokande-detektorn ( Kamiokande - Kamioka Nucleon Decay Experiment), där 3000 ton vatten sågs med 1000 fotomultiplikatorer. Men i slutet av 1980-talet hade inte ett enda fall av protonsönderfall registrerats. 1995 byggde Kamiokande-samarbetet en ny detektor som ökade vattenmassan till 50 000 ton ( Super-Kamiokande ). Observationer av denna detektor fortsätter till denna dag, men resultatet av protonsönderfallssökningar på den uppnådda känslighetsnivån är fortfarande negativt [1] [4] .

Förutom att sönderfalla till en pion och en positron (den nuvarande gränsen för livslängden för denna kanal, som nämnts ovan, är 1,6⋅10 34 år ), gjordes experimentella sökningar efter över 60 andra alternativ för sönderfallskanaler, både för proton och för neutronen (i det senare fallet betyder inte standardbeta -sönderfallet för neutronen , utan sönderfallet med icke-konservering av baryontalet , till exempel n → μ + π - ). Eftersom den föredragna sönderfallskanalen i allmänhet är okänd, etableras även experimentella nedre gränser för protonlivslängden, oavsett sönderfallskanalen. Den bästa av dem är för närvarande lika med 1,1⋅10 26 år [4] . Den nedre gränsen för livslängden för en proton under sönderfall med bildandet av endast "osynliga" partiklar (det vill säga inte deltar i starka eller elektromagnetiska interaktioner, såsom neutriner) är 3,6⋅10 29 år [4] . En protons sönderfall genom "osynliga" kanaler bryter mot lagarna för bevarande inte bara av baryontalet utan också för den elektriska laddningen; detta gäller inte neutronsönderfall.

Även om proton- och antiprotonlivslängderna förväntas vara desamma, har experimentella nedre gränser för antiprotonlivslängden erhållits. De är betydligt sämre än gränserna för protonlivslängden: den bästa gränsen är endast cirka 10 7 år [4] .

Vissa teorier förutspår också sönderfallet av par eller tripletter av nukleoner (med en förändring av baryontalet med 2 eller 3 enheter) med stabiliteten hos enstaka nukleoner. För olika sönderfallskanaler av "dynukleoner" (par pp , nn , pn ) i järnkärnor är de nedre gränserna för kärnans livslängd satta till nivån ⋅10 30 —⋅10 32 år [4] .

Således har det visat sig att protonen är minst 1000 gånger mer stabil än vad som förutspåtts i minimal SU(5)-teorin. I olika versioner av teorin om supersymmetri förutsägs livslängden för en proton på nivån av för närvarande etablerade gränser och över. För att testa denna teori organiserades LAGUNA- projektet [7] med en känslighet på 10 35 år . Det antas också att Large Hadron Collider kommer att spela en viktig roll för att lösa detta problem , med hjälp av vilken teorin om supersymmetri kunde bekräftas experimentellt [1] .

Se även

Anteckningar

  1. ↑ 1 2 3 4 5 BBC Focus , februari 2008. Världens största mysterier. Protons förfall. Robert Mathews. pp. 68-73.
  2. ↑ 1 2 Söker efter protonsönderfall och supertunga magnetiska monopoler. BV Sreekantan.  (engelska) . Hämtad 11 november 2008. Arkiverad från originalet 24 september 2015.
  3. ↑ Rekord i vetenskap och teknik. Partiklar och ämnen Mest och minst stabila . Hämtad 23 juni 2021. Arkiverad från originalet 24 juni 2021.
  4. ↑ 1 2 3 4 5 6 Zyla PA et al. (Partikeldatagrupp). 2020 Granskning av partikelfysik   // Prog . Theor. Exp. Phys. - 2020. - Vol. 2020 . — P. 083C01 . Partikellistor: Proton. Arkiverad 20 mars 2021 på Wayback Machine Fri tillgång
  5. ↑ Sanyuk V. Magnetiska monopoler: hopp och realiteter // Encyclopedia for children. Fysik. Del 2 / kapitel. ed. V. Volodin. - M . : Avanta +, 2001. - S. 51.
  6. ↑ Denna form av gemensamma storskaliga experiment i fysik kallas ett samarbete.
  7. ↑ Laguna  projekterar . Hämtad 27 april 2010. Arkiverad från originalet 20 mars 2012.

Länkar

 Detektion av protonsönderfall
Drift
Avslutad
  • Frejus
  • hemmainsats
  • HPW
  • IMB
  • Kamiokande
  • KGF
  • Soudan 1
  • Soudan 2
Framtida
se även