En física de partículas , la desintegración del protón 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 del protón fue formulada por primera vez por Andrei Sakharov en 1967. A pesar de un importante esfuerzo experimental, nunca se ha observado la desintegración del protón. Si se desintegra a través de un positrón, la vida media del protón está limitada a 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 la 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 un neutrón) no son desintegración de protones, ya que el protón interactúa con otras partículas dentro del átomo.
Algunas teorías de gran unificación (GUT) que van más allá del modelo estándar rompen explícitamente la simetría del número bariónico, lo que permite que los protones se desintegren a través de la partícula de Higgs , monopolos magnéticos o nuevos bosones X con una vida media de entre 10 31 y 10 36 años. A modo de comparación, el universo es aproximadamente1,38 × 10 10 años . [3] Hasta la fecha, todos los intentos de observar nuevos fenómenos predichos por las 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 duraciones de vida mucho más allá del rango de desintegración de la escala GUT mencionado anteriormente, así como dimensiones adicionales en supersimetría . [8] [9] [10] [11]
Existen métodos teóricos de violación de bariones distintos de la desintegración de protones, incluidas las interacciones con cambios en el número de bariones y/o leptones distintos de 1 (como se requiere en la desintegración de protones). Estos incluyen violaciones de B y/o L de 2, 3 u otros números, o violación de B − L. Dichos ejemplos incluyen oscilaciones de neutrones y la anomalía electrodébil del esfalón a altas energías y temperaturas que puede resultar entre la colisión de protones en antileptones [12] o viceversa (un factor clave en la leptogénesis y la bariogénesis no GUT).
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 global 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 la ruptura de la simetría que favorecen la creación de materia normal (en contraposición a la antimateria) en determinadas condiciones. Este desequilibrio habría sido excepcionalmente pequeño, del orden de 1 de cada 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 se aniquilaran, lo que quedó fue toda la materia bariónica del 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 (
incógnita
) o bosones de Higgs masivos (
yo0
). La velocidad a la que ocurren estos eventos está determinada en gran medida por la masa del intermediario.
incógnita
o
yo0
Partículas, por lo que, al suponer que estas reacciones son responsables de la mayor parte del número bariónico que se observa en la actualidad, 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 exhibirá ocasionalmente una desintegración espontánea de protones.
La desintegración del protón es una de las predicciones clave de las diversas teorías de gran unificación (GUT) propuestas en la década de 1970, siendo otra de las principales la existencia de monopolos magnéticos . Ambos conceptos han sido el foco de los principales esfuerzos de la 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: [13] un límite inferior en la vida media del protón de2,4 × 10 34 años por desintegración de positrones, y de manera similar,1,6 × 10 34 años a través de la desintegración del antimuón , cerca de una predicción de supersimetría (SUSY) de 10 34 –10 36 años. [14] Una versión mejorada, Hyper-Kamiokande , probablemente tendrá una sensibilidad 5 a 10 veces mejor que Super-Kamiokande.
A pesar de la falta de evidencia observacional de la desintegración del protón, algunas teorías de gran unificación , como el modelo SU(5) de Georgi-Glashow y SO(10) , junto con sus variantes supersimétricas, la requieren. Según dichas 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 las GUT .
Hay modos de descomposición adicionales disponibles (por ejemplo:
pag+
→
micras+
+π0 ), tanto directamente como cuando se cataliza a través de la interacción con monopolos magnéticos predichos por GUT . [15] Aunque este proceso no se ha observado experimentalmente, está dentro del ámbito de la comprobación experimental para futuros detectores planificados a gran escala en la escala de megatones. Dichos 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 protones, postularon 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 ser inferior a10 32 años . Muchos libros de ese período hacen referencia a esta cifra como el posible tiempo de desintegración de la materia bariónica. Hallazgos más recientes han elevado la semivida mínima del protón a al menos 1034 –1035 años, descartando los GUT más simples (incluidos los modelos mínimos SU(5) / Georgi–Glashow) y la mayoría de los modelos no SUSY. El límite superior máximo de la 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 los GUT no SUSY (mínimos) en1,4 × 10 36 años . [16] (parte 5.6)
Aunque el fenómeno se conoce como "desintegración de protones", el efecto también se observaría en neutrones ligados al interior de 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 ligados dentro de un núcleo tienen una vida media inmensamente más larga, aparentemente tan larga como la del protón.
La vida útil del protón en la SU(5) vainilla se puede estimar ingenuamente como . [19] Las GUT supersimétricas con escalas de reunificación alrededor de µ ~ 2 × 10 16 GeV/ c 2 dan como resultado una vida útil de alrededor de10 34 años , aproximadamente el límite inferior experimental actual.
Los operadores de desintegración de protones de dimensión -6 son y donde es la escala de corte para el Modelo Estándar . Todos estos operadores violan tanto la conservación del número bariónico ( B ) como la del número leptónico ( L ) , pero no la combinación B − L.
En los modelos GUT , el intercambio de un bosón X o Y con masa Λ GUT puede llevar a que los dos últimos operadores queden suprimidos por . El intercambio de un bosón de Higgs triplete con masa M puede llevar a que todos los operadores queden suprimidos por . Véase Problema de desdoblamiento doblete-triplete .
En extensiones supersimétricas (como el MSSM ), también podemos tener operadores de dimensión 5 que involucran dos fermiones y dos esfermiones causados por el intercambio de un tripletino de masa M. Los esfermiones intercambiarán entonces un gaugino o Higgsino o gravitino dejando dos fermiones. El diagrama de Feynman general tiene un bucle (y otras complicaciones debido a la física de interacción fuerte). Esta tasa de decaimiento se suprime por 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
tú
do
d
do
d
c .
La tasa de desintegración de protones sólo se ve suprimida por lo que es demasiado rápido, a menos que los acoplamientos sean muy pequeños.
