양성자 붕괴

Proton decay
게오르기-글래쇼 모델의 입자에 대한 약한 아이소스핀, 약한 과전하 색전하의 패턴입니다.여기서 2개의 업 쿼크와 다운으로 이루어진 양성자는 전하 4-/3를 가진 X보손을 통해 업과 안티 업으로 이루어진 파이온과 양전자로 분해된다.

입자 물리학에서, 양성자 붕괴는 양성자가 중성 파이온[1]양전자와 같은 가벼운 아원자 입자로 붕괴되는 입자 붕괴의 가상 형태이다.양성자 붕괴 가설은 1967년 안드레이 사하로프에 의해 처음 공식화 되었다.상당한 실험 노력에도 불구하고 양성자 붕괴는 관찰된 적이 없다.양전자를 통해 붕괴하는 경우 양성자의 반감기는 최소 1.67×[2]10년으로34 제한됩니다.

표준 모델에 따르면, 중입자의 일종인 양성자는 중입자 번호(쿼크 번호)가 보존되기 때문에 안정적이다(정상적인 상황에서는 키랄 이상 참조).따라서, 양성자는 가장 가벼운 (따라서 에너지가 가장 적은) 바리온이기 때문에, 스스로 다른 입자로 붕괴되지 않을 것입니다.양성자가 중성자가 되는 방사성 붕괴 형태인 양전자 방출과 전자 포획은 양성자가 원자 내의 다른 입자와 상호작용하기 때문에 양성자 붕괴가 아니다.

일부 표준 모델을 벗어난 대통합 이론(GUT)은 양자 수가 힉스 입자, 자기 단극 또는 10년에서36 10년의31 반감기를 가진 새로운 X 보손을 통해 붕괴할 수 있도록 하는 바리온 수 대칭을 명백하게 파괴합니다.비교하자면, 우주는 대략10 10년 [3]정도 되었습니다.현재까지 GUT에 의해 예측된 새로운 현상(양자 붕괴 또는 자기 단극의 존재 등)을 관찰하려는 모든 시도는 실패했다.

양자 터널링은 양성자 [4][5][6]붕괴의 메커니즘 중 하나일 수 있다.

양자 중력([8][9][10][11]가상 블랙홀과 호킹 방사선을 통해)은[7] 초대칭성의 추가 차원뿐만 아니라 위의 GUT 척도 붕괴 범위를 훨씬 벗어난 규모 또는 수명에서의 양성자 붕괴의 장소를 제공할 수도 있다.

1 이외의 바리온 및/또는 렙톤 수(양성자 붕괴에 필요한 경우)의 변화와의 상호작용을 포함한 양성자 붕괴 이외의 바리온 위반의 이론적인 방법이 있다.여기에는 2, 3, 기타 번호의 B 및/또는 L 위반 또는 B - L 위반이 포함됩니다.그러한 예로는 중성자 진동과 높은 에너지 및 온도에서의 전약 스팔레론 이상(양성자의 반립톤[12] 충돌 또는 그 반대)이 포함된다(렙톤 형성과 비-GUT 중입자 형성의 핵심 요소).

중입자형성

물리학의 미해결 문제:

양성자가 부패하나요?그렇다면 반감기는 무엇일까요?핵결합 에너지가 이에 영향을 미칠 수 있을까요?

현대 물리학에서 두드러진 문제 중 하나는 우주에서 물질반물질보다 우세하다는 것이다.우주 전체는 0이 아닌 양의 중입자 수 밀도를 가진 것으로 보인다. 즉, 물질이 존재한다는 것이다.우주론에서 우리가 보는 입자들이 오늘날 우리가 측정하는 것과 같은 물리학을 사용하여 만들어졌다고 가정하기 때문에, 물질과 반물질은 같은 양으로 만들어졌어야 했기 때문에, 일반적으로 전체적인 바리온 수는 0이 될 것으로 예상된다.이로 인해 특정 조건 하에서 (반물질이 아닌) 정상 물질의 생성을 선호하는 대칭 파괴 메커니즘이 다수 제안되었습니다.이 불균형은 빅뱅 후 약 1만분의 1초10 정도의 입자로 매우 작았을 것입니다.그러나 대부분의 물질과 반물질이 소멸된 후 남은 것은 현재 우주의 모든 바리온 물질과 훨씬 더 많은 의 보손들이었습니다.

대부분의 대통합 이론은 이러한 차이를 설명할 수 있는 중입자수 대칭을 명백하게 깨뜨리고, 전형적으로 매우 거대
X 보손이나
거대한 힉스
보손
0
의해 매개되는 반응을 일으킨다.
이러한 현상이 일어나는 속도는 주로 중간 X
또는0
H 입자의 질량에 의해 좌우되기 때문에, 이러한 반응이 오늘날 보여지는 바리온 숫자의 대부분을 차지한다고 가정함으로써, 최대 질량을 계산할 수 있으며, 그 이상의 속도는 물질의 존재를 설명하기에는 너무 느릴 것입니다.
이러한 추정치는 대량의 물질이 때때로 자발적인 양성자 붕괴를 보일 것으로 예측한다.

실험 증거

양성자 붕괴는 1970년대에 제안된 다양한 대통합 이론(GUTs)의 핵심 예측 중 하나이며, 다른 주요 예측은 자기 단극의 존재이다.두 개념 모두 1980년대 초부터 주요한 실험 물리학 노력의 초점이 되어 왔다.현재까지 이러한 현상을 관찰하려는 모든 시도는 실패했지만, 이러한 실험은 양성자의 반감기에 대한 하한을 설정할 수 있었다.현재 가장 정확한 결과 일본의 슈퍼 카미 오칸데 물 체렌코프 방사선 검출기:2015년 분석과도 2012년 분석을 1.08×1034년의 양성자의 반감기에antimuon decay,[13]근처의 음식을 통해 하한을 1.67×1034년의 양성자의 반감기에 양전자 decay,[2]을 통해 하한을 올려 온다.ersymmetr10 ~ 10년의3436 [14]y(SUSY) 예측.업그레이드 버전인 Hyper-Kamiokande는 Super-Kamiokande보다 5~[2]10배 높은 감도를 가질 수 있습니다.

이론적 동기

양성자 붕괴에 대한 관측 증거가 없음에도 불구하고 SU(5) Georgi-Glashow 모델 SO(10)와 같은 일부 대통합 이론과 초대칭 변형이 필요하다.이러한 이론에 따르면 양성자는 약 1031~10년의36 반감기를 가지며 양전자와 중성 파이온으로 분해되며, 양전자는 즉시 두 감마선 광자로 분해된다.


p+
.

+
+
π0
└→ 2인치

양전자항립톤이기 때문에 이 붕괴는 대부분의 s에서 보존되는 B - L 수를 보존한다.

추가 붕괴 모드(예: p
+
μ
+
+ [13]δ0
)는 직접 또는 -color 자기 [15]모노폴과의 상호작용을 통해 촉매될 때 모두 사용할 수 있다.
이 과정은 실험적으로 관찰되지 않았지만 메가톤 규모의 향후 계획된 초대형 검출기에 대한 실험 테스트 가능성의 영역 내에 있다.이러한 검출기에는 Hyper-Kamiokande가 포함됩니다.

양성자 붕괴를 암시하는 최초의 일관된 이론이었던 게오르기-글래쇼 모델과 같은 초기 대통일 이론(GUTs)은 양성자의 반감기가 최소31 10년이라고 가정했다.1990년대에 추가 실험과 계산이 수행되면서 양성자의 반감기가 10년 미만이32 될 수 없다는 것이 분명해졌다.그 시기의 많은 책들은 중입자 물질의 가능한 붕괴 시간에 대해 이 그림을 참조한다.보다 최근의 연구결과는 최소 양성자 반감기를 최소34 10-10년으로35 끌어올려 단순한 GUT(최소 SU(5) / Georgi-Glashow 포함)와 대부분의 비-SUSY 모델을 배제했다.양성자 수명에 대한 최대 상한(불안한 경우)은 6 × 10년으로39 계산되며, 이는 SUSY [16]모델에 적용되는 한계이며, 비 SUSY GUT의 최대값은 1.4 × 10년으로36 [16](part 5.6)계산된다.

이 현상을 "양성자 붕괴"라고 부르지만, 그 효과는 원자핵 내부에 결합되어 있는 중성자에서도 나타난다.원자핵 안에 없는 자유 중성자는 베타 붕괴라고 불리는 과정에서 이미 양성자(그리고 전자와 반중성자)로 붕괴하는 것으로 알려져 있다.자유 중성자의 반감기는 약한 상호작용으로 인해 10분(610.2±[17]0.8초)이다.핵 안에 결합되어 있는 중성자는 엄청나게 긴 반감기를 가지고 있다 – 명백히 양성자만큼 크다.

예측 양성자 수명

이론 수업 양성자 수명(년)[18] 실험적으로 배제했다고요?
최소 SU(5)(Georgi-Glashow) 1030 ~ 1031 네.
최소 SUSY SU(5) 1028 ~ 1032 네.
SUGRA SU(5) 1032 ~ 1034 네.
SUSY SO(10) 1032 ~ 1035 부분적
SUSY SU(5)(MSSM) 10까지34 부분적
SUSY SU(5)– 5차원 1034 ~ 1035 부분적
최소(기본) SO(10)– SUSY 비수시 1035 미만(최대 범위) 아니요.
SUSY SO(10) MSSM G(224) 2/1034 아니요.
플립 SU(5)(MSSM) 1035 ~ 1036 아니요.

바닐라 SU(5)에서 양성자의 수명은 순수하게 ~ 4 5 _[19]로 추정할 수 있다.통일을 수반하는 초대칭 GUTS의 수율은34 2×1016 GeV/C이다2.

붕괴 연산자

치수 6 양성자 붕괴 연산자

차원 6 양성자 붕괴 q 2 { \ { } { \ { } 、 \ { d^ { u^ {} { c } { } } } }}} dc u c q {\ 2display c}} {\ {\ 2}}} where {\ {\ {\ {\ {\ {\ {\ {\ {\ {\ {\ {\ {\ {\ {\ {\ {\ {\ {\ {\ {\ {\ {\ {\ {\ {\ {\ {\ {\ {\ {\ {\ 이러한 모든 측정 시스템은 바리온 수(B)와 렙톤 수(L) 보존을 모두 위반하지만 B - L 조합은 위반하지 않습니다.

모델에서는 질량 δ와 X 또는 Y 보손을GUT 교환하면 마지막 두 연산자가 1 G 2 {{2에 의해 억제될 수 있습니다.힉스를 질량 M( M과 교환하면 모든 오퍼레이터가 스타일 2될 수 있습니다. doublet-triplet 분할 문제를 참조하십시오.

치수 5 양성자 붕괴 연산자

초대칭 확장(를 들어 MSSM)에서는 질량 M의 3중성자 교환에 의해 발생하는 2개의 페르미온과 2개의 SFermion을 포함하는 5차원 연산자를 가질 수도 있다.그리고 나서 두 개의 페르미온을 남기고 가우지노, 힉시노 또는 그라비티노를 교환할 것이다.전체 파인만 다이어그램에는 루프(및 강한 상호작용 물리학으로 인한 다른 합병증)가 있습니다.이 붕괴율은 {SUSY 됩니다.여기SUSY M은 슈퍼파트너의 질량 스케일입니다.

Dimension-4 양성자 붕괴

R-parity violating decay.svg

물질 패리티가 없는 경우 표준 모델의 초대칭 확장은 sdown 쿼크 질량의 역제곱으로 억제된 마지막 연산자를 발생시킬 수 있습니다.이는 dimension-4 연산자q



'd'
cudd
c

c
'
c에 의한 것입니다.

양성자 붕괴 속도는 커플링이 매우 작지 너무 빠른 1 2 억제됩니다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

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