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 . [1] La hipótesis de la desintegración de protones fue formulada por primera vez por Andrei Sakharov en 1967. A pesar de un importante esfuerzo experimental, nunca se ha observado la desintegración de protones. Si se desintegra a través de un positrón, la vida media del protón está obligada a ser al menos1,67 × 10 34 años . [2]
Según el Modelo Estándar , el protón, un tipo de barión , es estable porque el número bariónico ( número de quarks ) se conserva (en circunstancias normales; véase Anomalía quiral para una excepción). Por lo tanto, los protones no se desintegrarán en otras partículas por sí solos, porque son el barión más ligero (y por lo tanto menos energético). La emisión de positrones y la captura de electrones (formas de desintegración radiactiva en las que un protón se convierte en neutrón) no son desintegración de protones, ya que el protón interactúa con otras partículas dentro del átomo.
Algunas grandes teorías unificadas (GUT) que van más allá del modelo estándar rompen explícitamente la simetría del número bariónico, permitiendo que los protones se desintegren 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. En comparación, el universo es aproximadamente1,38 × 10 10 años . [3] Hasta la fecha, todos los intentos de observar nuevos fenómenos predichos por los GUT (como la desintegración de protones o la existencia de monopolos magnéticos ) han fracasado.
La tunelización cuántica puede ser uno de los mecanismos de desintegración de protones. [4] [5] [6]
La gravedad cuántica [7] (a través de agujeros negros virtuales y radiación de Hawking ) también puede proporcionar un lugar para la desintegración de protones en magnitudes o tiempos de vida mucho más allá del rango de desintegración de la escala GUT anterior, así como dimensiones adicionales en la supersimetría . [8] [9] [10] [11]
Existen métodos teóricos de violación bariónica distintos de la desintegración de protones, incluidas las interacciones con cambios de barión y/o número de leptones distintos de 1 (como se requiere en la desintegración de protones). Estas incluían violaciones B y/o L de 2, 3 u otros números, o violaciones B - L. Tales ejemplos incluyen oscilaciones de neutrones y la anomalía electrodébil del esfaleron a altas energías y temperaturas que pueden resultar entre la colisión de protones con antileptones [12] o viceversa (un factor clave en la leptogénesis y la bariogénesis no-GUT).
¿Se desintegran los protones ? Si es así, ¿cuál es la vida media ? ¿ Puede la energía nuclear vinculante afectar esto?
Uno de los problemas pendientes 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 de número bariónico positivo distinto de cero, es decir, hay más materia que antimateria. Dado que en cosmología se supone que las partículas que vemos se crearon utilizando la misma física que medimos hoy, normalmente se esperaría que el número bariónico general 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 (a diferencia de la antimateria) bajo ciertas condiciones. Este desequilibrio habría sido excepcionalmente pequeño, del orden de 1 de cada 10 partículas , una pequeña fracción de segundo después del Big Bang, pero después de aniquilar la mayor parte de la materia y la antimateria, lo que quedó fue toda la materia bariónica del planeta. 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 medida por la masa del intermediario.
X
o
h0
partículas, por lo que, al asumir que estas reacciones son responsables de la mayor parte del número bariónico que se observa hoy en día, 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 ocasionalmente exhibirá una desintegración espontánea de protones.
La desintegración de protones es una de las predicciones clave de las diversas grandes teorías unificadas (GUT) propuestas en la década de 1970, siendo otra importante la existencia de monopolos magnéticos . Ambos conceptos han sido el foco de importantes esfuerzos de la física experimental desde principios de los años 1980. Hasta la fecha, todos los intentos de observar estos acontecimientos 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 a la vida media del protón de1,67 × 10 34 años mediante la desintegración de positrones, [2] y de manera similar, un análisis de 2012 dio un límite inferior a la vida media del protón de1,08 × 10 34 años mediante desintegración de antimuones , [13] cercano a una predicción de supersimetría (SUSY) de 10 34 –10 36 años. [14] Una versión mejorada, Hyper-Kamiokande , probablemente tendrá una sensibilidad entre 5 y 10 veces mejor que Super-Kamiokande. [2]
A pesar de la falta de evidencia observacional de la desintegración de protones, algunas grandes teorías de unificación , como el modelo SU(5) de Georgi-Glashow y SO(10) , junto con sus variantes supersimétricas, lo requieren. Según estas teorías, el protón tiene una vida media de aproximadamente 1031 ~1036 años y se desintegra en un positrón y un pión neutro que a su vez se desintegra inmediatamente en dos fotones de rayos gamma :
Dado que un positrón es un antileptón , esta desintegración preserva el número B − L , que se conserva en la mayoría de los GUT .
Hay modos de caída adicionales disponibles (p. ej.:
pag+
→ µ+ +π0 ), [13] tanto directamente como cuando se cataliza mediante la interacción con monopolos magnéticos predichos por GUT . [15] Aunque este proceso no se ha observado experimentalmente, está dentro del ámbito de la capacidad de prueba experimental para futuros detectores planificados a muy gran escala en la escala de megatones. Estos detectores incluyen el Hyper-Kamiokande .
Las primeras teorías de la gran unificación (GUT), como el modelo de Georgi-Glashow, que fueron las primeras teorías consistentes en sugerir la desintegración del protón, postulaban que la vida media del protón sería al menos10 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 estar por debajo10 32 años . Muchos libros de esa época se refieren a esta cifra como posible tiempo de desintegración de la materia bariónica. Hallazgos más recientes han elevado la vida media mínima de los protones a al menos 1034 –1035 años, descartando los GUT más simples (incluido el SU(5) mínimo / Georgi-Glashow) y la mayoría de los modelos que no son SUSY. El límite superior máximo de vida útil del protón (si es inestable) se calcula en6 × 10 39 años , un límite aplicable a los modelos SUSY, [16] con un máximo para GUT (mínimos) no SUSY en1,4 × 10 36 años . [16] (parte 5.6)
Aunque el fenómeno se conoce como "desintegración de protones", el efecto también se observaría 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 desintegran en protones (y un electrón y un antineutrino) en un proceso llamado desintegración beta . Los neutrones libres tienen una vida media de 10 minutos (610,2 ± 0,8 s ) [17] debido a la interacción débil . Los neutrones unidos dentro de un núcleo tienen una vida media inmensamente más larga, aparentemente tan larga como la del protón.
La vida útil del protón en vainilla SU(5) se puede estimar ingenuamente como . [19] GUT supersimétricos con escalas de reunificación alrededor de µ ~ 2 × 10 16 GeV/ c 2 producen una vida útil de aproximadamente10 34 años , aproximadamente el límite inferior experimental actual.
Los operadores de desintegración de protones de dimensión -6 son y dónde está la escala de corte para el modelo estándar . Todos estos operadores violan la conservación del número bariónico ( B ) y del número leptónico ( L ), pero no la combinación B − L.
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 M puede llevar a que todos los operadores sean suprimidos por . Consulte Problema de división doblete-triplete .
En extensiones supersimétricas (como MSSM ), también podemos tener operadores de dimensión 5 que involucran dos fermiones y dos sfermiones causados por el intercambio de un tripletino de masa M. Los sfermiones luego intercambiarán un gaugino o un Higgsino o un gravitino dejando dos fermiones. El diagrama general de Feynman tiene un bucle (y otras complicaciones debido a la fuerte interacción física). Esta tasa de desintegración se suprime donde M SUSY es la escala de masa de los supercompañeros .
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 velocidad de desintegración de protones sólo se suprime porque es demasiado rápida, a menos que los acoplamientos sean muy pequeños.
