Rozpad protonu - Polski Serwis Naukowy

Rozpad protonu – hipotetyczny nowy rodzaj rozpadu promieniotwórczego, w rezultacie którego swobodny proton rozpadałby się na lżejsze cząstki. W Modelu Standardowym fizyki cząstek elementarnych rozpad taki jest zabroniony, ponieważ łamie zasadę zachowania liczby barionowej. Możliwość takiego rozpadu przewidują niektóre rozszerzenia Modelu Standardowego, np. teorie wielkiej unifikacji. Eksperymentalnie nie udało się dotychczas jednoznacznie zaobserwować żadnych przypadków tego procesu.

Grawitacja (ciążenie powszechne) - jedno z czterech oddziaływań podstawowych, będące zjawiskiem naturalnym polegającym na tym, że wszystkie obiekty posiadające masę oddziałują na siebie wzajemnie przyciągając się.
Nukleony to wspólna nazwa protonów i neutronów, czyli podstawowych cząstek tworzących jądro atomu. Nukleony składają się z kwarków. Choć przez obecne teorie cząstek protony i neutrony nie są uznawane za cząstki elementarne, ale z historycznych względów zalicza się je do cząstek elementarnych.

Podstawy teoretyczne

W modelu standardowym proton, jako najlżejszy barion, jest cząstką trwałą i nie może się spontanicznie rozpaść. Związane jest to z obowiązującym w tym modelu zachowaniem liczby barionowej. Wśród produktów rozpadu barionu musi znajdować się inny barion. Ponieważ jednak z zasady zachowania energii wynika, że suma mas produktów rozpadu cząstki musi być mniejsza od jej masy spoczynkowej, więc najlżejszy barion musi być trwały.

Włochy (Republika Włoska, wł. Italia, Repubblica Italiana) – państwo położone w Europie Południowej, na Półwyspie Apenińskim, będące członkiem wielu organizacji, m.in.: UE, NATO, należące do ośmiu najbardziej uprzemysłowionych i bogatych państw świata – G8.
Stany Zjednoczone, Stany Zjednoczone Ameryki (ang.: United States, United States of America, US, USA) – państwo w Ameryce Północnej graniczące z Kanadą od północy, Meksykiem od południa, Oceanem Spokojnym od zachodu, Oceanem Arktycznym od północnego zachodu, Oceanem Atlantyckim od wschodu.

Na głębszym poziomie zachowanie liczby barionowej, więc i trwałość protonu, można objaśnić nieobecnością w modelu standardowym oddziaływań zamieniających kwarki z leptonami. Oddziaływania takie musiałyby być przenoszone przez bozony obdarzone jednocześnie ładunkiem kolorowym i ładunkiem elektrycznym. Jedynymi znanymi obecnie przenoszącymi kolor bozonami są gluony, elektrycznie neutralne. Kwarki mogą być więc produkowane bądź anihilowane jedynie w parach z antykwarkami. Oznacza to, że w każdym oddziaływaniu zachowywana jest różnica pomiędzy liczbą kwarków a liczbą antykwarków. Bariony składają się w trzech kwarków, dlatego w stanie końcowym rozpadu barionu musi znaleźć się stan trzykwarkowy, czyli inny barion.

Foton (gr. φως – światło, w dopełniaczu – φοτος) jest cząstką elementarną nie posiadającą ładunku elektrycznego ani momentu magnetycznego, o masie spoczynkowej równej zero (m0 = 0), liczbie spinowej s = 1 (fotony są zatem bozonami). Fotony są nośnikami oddziaływań elektromagnetycznych, a ponieważ wykazują dualizm korpuskularno-falowy są równocześnie falą elektromagnetyczną.
Teorie wielkiej unifikacji (GUT z ang. Grand Unification Theory) – teorie łączące chromodynamikę kwantową i teorię oddziaływań elektrosłabych. Przedstawiają one oddziaływanie silne, słabe i elektromagnetyczne jako przejaw jednego, zunifikowanego oddziaływania. Żadna z dotychczasowych teorii wielkiej unifikacji nie została potwierdzona doświadczalnie.

Rozpad protonu jest jednak przewidywany przez cały szereg modeli wykraczających poza model standardowy.

Teorie wielkiej unifikacji

Modele zwane ogólnie teoriami wielkiej unifikacji (w skrócie nazywane GUT) postulują istnienie pełnej symetrii pomiędzy znanymi oddziaływaniami, z wyjątkiem grawitacji. Symetria ta opisywana jest grupą symetrii zawierającą, jako podgrupy grupy symetrii znanych oddziaływań. Nie obserwujemy jej bezpośrednio, ponieważ symetria ta jest spontanicznie łamana przy energiach poniżej tzw. skali wielkiej unifikacji, lokowanej zazwyczaj w okolicach 10 GeV.

Wodór (H, łac. hydrogenium) – pierwiastek chemiczny, niemetal z bloku s układu okresowego. Jest to najprostszy możliwy pierwiastek o liczbie atomowej 1, składający się z jednego protonu i jednego elektronu.
Diagram Feynmana to wymyślony przez Richarda Feynmana sposób graficznego zapisu pewnych równań fizycznych. W niektórych zastosowaniach (fizyka cząstek elementarnych, funkcje Greena) problemem porównywalnym z trudnością wykonywania obliczeń jest problem znalezienia wyrażeń, które mają być obliczone. Feynman rozwiązał ten problem proponując aby pewnym typom wyrażeń przyporządkować określone elementy graficzne (fragmenty grafów), w ten sposób znajdowanie potrzebnych wyrażeń sprowadził do znajdowania grafów o zadanych parametrach (korzystając z reguł konstrukcji grafów zależnych od dziedziny zastosowania). Przykładem takiego problemu dla szczególnego przypadku elektrodynamiki kwantowej jest znalezienie przekroju czynnego na oddziaływanie elektron-pozyton, które może zachodzić na wiele sposobów. W pierwszym rzędzie rachunku zaburzeń wkład elektromagnetyczny będzie pochodził od dwóch rodzajów oddziaływania:

Model taki umieszcza w jednej reprezentacji grupy symetrii fermiony należące do jednej generacji, tak leptony, jak i kwarki. Oznacza to automatycznie istnienie przekształceń symetrii zamieniających je między sobą, a więc i odpowiednich oddziaływań. Oddziaływania takie byłyby przenoszone przez hipotetyczne bozony o ułamkowym ładunku elektrycznym i nieznikającym ładunku kolorowym, zwane zwykle bozonami X i Y. Modele GUT przewidują, że masy tych bozonów powinny być zbliżone do skali energetycznej przy której symetria wielkiej unifikacji jest łamana. Wyjaśnia to, dlaczego rozpadów protonu nie zaobserwowano wcześniej—pojawienie się przy niskich energiach wirtualnej cząstki o tak dużej masie jest bardzo mało prawdopodobne. Pierwsze modele GUT przewidywały, że czas życia protonu powinien wynosić około 10 lat.

Bariony – w fizyce cząstek elementarnych rodzina cząstek elementarnych silnie oddziałujących fermionów (o spinie połówkowym). Bariony są podrodziną cząstek silnie oddziałujących nazywanej hadronami. Barionem jest proton czy neutron wspólnie nazywane nukleonami.
Mont Blanc (wł. Monte Bianco, pl. Biała Góra, 4810,45 m n.p.m.) – najwyższy szczyt Alp i Europy, potocznie nazywany Dachem Europy (niektórzy, w tym alpiniści zdobywający Koronę Ziemi, przyjmując inne granice Europy niż Międzynarodowa Unia Geograficzna, uważają Elbrus za szczyt europejski i tym samym najwyższy w Europie). Główny wierzchołek znajduje się na terytorium Francji w regionie Haute-Savoie i w granicach administracyjnych miasta Saint-Gervais-les-Bains. Granica francusko-włoska przebiega przez pobliski, boczny wierzchołek Mont Blanc de Courmayeur (wł. Monte Bianco di Courmayeur) (4748 m n.p.m.).

Jeden z diagramów Feynmana opisujących proces rozpadu protonu na pozyton i pion w modelu GUT

Proces rozpadu protonu przebiegałby według tych modeli w ten sposób, że dwa z wchodzących w skład protonu kwarków wymieniają bozon X, zamieniając się przy tym w lepton i antykwark. Lepton jest jednym z produktów rozpadu, natomiast antykwark wraz z pozostałym, trzecim kwarkiem protonu, tworzy hadrony, w najprostszym przypadku jeden stan związany, czyli mezon. Według przewidywań najprostszego modelu GUT, najbardziej prawdopodobnym sposobem rozpadu protonu winien być rozpad na pozyton i neutralny pion:

Minnesota – stan leżący na środkowym zachodzie Stanów Zjednoczonych, ze stolicą w mieście Saint Paul. Zajmuje obszar 225 365 km² (12. pod względem wielkości), który zamieszkuje 5 167 101 mieszkańców (21. pod względem ludności). Powstała ze wschodnich obszarów Terytorium Minnesota, gdy 11 maja 1858 roku została przyłączona do USA jako 32. stan. Minnesota, która znana jest jako „Kraina 10 000 jezior” lub „Stan Gwiazdy Północnej”, oferuje mieszkańcom oraz turystom liczne możliwości rekreacji.
Reprezentacja grupy – w teorii grup każdy homomorfizm grupy w grupę przekształceń liniowych odwracalnych ustalonej przestrzeni liniowej nad zadanym ciałem.

$p\rightarrow e^+\pi^0\rightarrow e^+\gamma\gamma$

(neutralny pion niemal natychmiast rozpada się na dwa fotony). Jest to bardzo szczęśliwe z eksperymentalnego punktu widzenia, ponieważ rozpad taki jest szczególnie łatwy do zaobserwowania.

Najprostsze modele GUT łamią wprawdzie zasady zachowania liczby barionowej i liczby leptonowej, zachowują jednak różnicę pomiędzy liczbą barionów, a liczbą leptonów. Oznacza to, że w rozpadzie barionu musi powstać antylepton, czyli dopuszczalny jest np. rozpad: $p\rightarrow e^+\pi^+\pi^-$ ,

ale zabronione są na przykład rozpady:

Ontario – prowincja Kanady. Ontario jest najludniejszą i najprężniejszą ekonomicznie częścią Kanady. W granicach Ontario znajduje się stolica Kanady Ottawa, największe miasto Kanady Toronto, a także największa aglomeracja tzw. Golden Horseshoe. W 1855 stacjonujący tam żołnierze angielskiej armii wymyślili hokej na lodzie.
Kwark – cząstka elementarna, fermion, posiadający ładunek koloru (czyli podlegający oddziaływaniom silnym). Według obecnej wiedzy cząstki elementarne będące składnikami materii można podzielić na dwie grupy. Pierwszą grupę stanowią kwarki, drugą grupą są leptony. Każda z tych grup zawiera po sześć cząstek oraz ich antycząstki. Istnieje więc sześć rodzajów kwarków oraz odpowiednio sześć rodzajów ich antycząstek – antykwarków.

$p\rightarrow \pi^+\pi^+\pi^-$ , $p\rightarrow e^-\pi^+\pi^+$ .

Supersymetria

Model supersymetrii postuluje istnienie symetrii pomiędzy fermionami a bozonami. Każda ze znanych cząstek ma w nim swego supersymetrycznego partnera, o spinie różnym od niej o 1/2, ale takim samym ładunku. Supersymetryczny partner kwarku, s-kwark jest więc bozonem, o nieznikającym ładunku elektrycznym i kolorowym. W minimalnym modelu supersymetrycznym nie może on jednak być bezpośrednio nośnikiem oddziaływań zamieniających kwarki w leptony, ze względu na prawo zachowania tzw. parzystości R.

Ohio – stan w północno-wschodniej części Stanów Zjednoczonych, nad jeziorem Erie. Nazwa pochodzi od rzeki Ohio, która tworzy jego południową granicę.
Proton, p <(gr.) πρῶτον – "pierwsze" (l.poj., rodz. nijaki)> - trwała cząstka elementarna z grupy barionów o ładunku +1 i masie spoczynkowej równej ok. 1 u. Protony są głównym składnikiem pierwotnego promieniowania kosmicznego. Protony wraz z neutronami (→ nukleony) tworzą jądra atomowe pierwiastków chemicznych. Liczba protonów w jądrze danego atomu jest równa jego liczbie atomowej, która z kolei jest podstawą uporządkowania atomów w układzie okresowym pierwiastków.

Rozpad protonu jest jednak w modelu supersymetrycznym możliwy, jako proces wyższego rzędu (odpowiednie diagramy Feynmana dla tego procesu zawierają pętle z wymianą kilku cząstek supersymetrycznych). Obliczenie prawdopodobieństwa takiego procesu jest trudne, ponieważ nie znamy mas cząstek supersymetrycznych ani skali energii przy której jest supersymetria jest łamana. Istniejące oszacowania umieszczają czas życia protonu w zakresie 10–10 lat i przewidują, że proton winien najchętniej rozpadać się na mezon K i antyneutrino.

Bozon X – hipotetyczna cząstka elementarna, postulowana przez teorię wielkiej unifikacji SU(5), której istnienia nie potwierdzono dotąd doświadczalnie.
Promieniowanie kosmiczne – promieniowanie złożone, zarówno korpuskularne jak i elektromagnetyczne, docierające do Ziemi z otaczającej ją przestrzeni kosmicznej. Korpuskularna część promieniowania składa się głównie z protonów (90% cząstek), cząstek alfa (9%), elektronów (ok 1%) i nielicznych cięższych jąder. Promieniowanie docierające bezpośrednio z przestrzeni kosmicznej nazywamy promieniowaniem kosmicznym pierwotnym. Cząstki docierające do Ziemi w wyniku reakcji promieniowania kosmicznego pierwotnego z jądrami atomów gazów atmosferycznych, to promieniowanie wtórne.

Możliwe jest też połączenie supersymetrii z wielką unifikacją (zwane w skrócie SUSY-GUT). W modelu SUSY-GUT skala unifikacji leży leży znacznie wyżej, niż w "zwykłych' GUT, przez co przewidują one znacznie dłuższy czas życia dla rozpadów w których pośredniczą bozony X. Na przykład dla rozpadu na pozyton i neutralny pion szacowany średni czas życia wynosi 10 do 10 lat. Dlatego przewidywania tego modelu odnośnie czasu życia i preferowanych sposobów rozpadu protonu niewiele różnią się od przewidywań samej supersymetrii.

Miony to nietrwałe cząstki elementarne należące do kategorii leptonów. Występują w dwóch stanach ładunkowych (będących wzajemnie antycząstkami) μ+ i μ–. Masa mionu wynosi 105,66 MeV/c², gdzie c - prędkość światła w próżni, okres połowicznego zaniku jest równy 1,5 mikrosekundy (średni czas życia τ=2,2×10–6 s). Rozpadają się najczęściej na elektron, antyneutrino elektronowe oraz neutrino mionowe (µ+ odpowiednio na pozyton, neutrino elektronowe i antyneutrino mionowe). Należą do drugiej generacji cząstek elementarnych i wykazują pokrewieństwo z elektronem, tzn. posiadają takie same własności co elektron, z wyjątkiem około 207 razy większej masy.
W fizyce cząstek elementarnych bozon Y, tak jak bozon X, to nowa cząstka elementarna, analogiczna do bozonów W i Z, odpowiadająca za nowy typ oddziaływań, przewidywana przez teorię wielkiej unifikacji. Bozon Y przenosi oddziaływania przekształcające kwarki w leptony i odwrotnie, co umożliwia takie procesy, jak rozpad protonu. Ładunek elektryczny bozonu Y wynosi +(1/3)e. Posiada on też, tak jak jak kwarki, trzy kolory. Przykład procesu z udziałem bozonu Y:

Teorie strun

Tą wspólną nazwą określany jest cały szereg modeli teoretycznych, mających ambicję wyjaśnienia wszystkich cząstek i oddziaływań, łącznie z grawitacją. Przykładami tej klasy modeli może być teoria superstrun. Wspólną ich cechą jest postulowanie, że fizyczne cząstki są faktycznie różnymi modami drgań pewnych rozciągłych obiektów ("strun") zlokalizowanych w dodatkowych wymiarach przestrzeni.

Teoria superstrun – teoria fizyczna próbująca wyjaśnić wszystkie znane rodzaje cząstek elementarnych oraz sił natury jako wibracje supersymetrycznych strun.
Problem neutrin słonecznych (ang. Solar Neutrino Problem) – rozbieżność pomiędzy zmierzoną liczbą neutrin słonecznych docierających do Ziemi ze Słońca, a teoretycznym modelem wnętrza Słońca. Problem pojawił się w połowie lat 60. XX wieku, a udało się go rozwiązać dopiero w roku 2002 dzięki lepszemu zrozumieniu fizyki neutrin. Wymagało to modyfikacji fizyki cząstek elementarnych.

Rozpad protonu należy do generycznych przewidywań teorii strun, ponieważ postulują one pokrewieństwo pomiędzy wszelkimi typami cząstek, idące nawet dalej, niż w teoriach wielkiej unifikacji. W praktyce realistyczne teorie strun (tzn. takie, które są w zasadzie w stanie odtworzyć znane oddziaływania) zawierają w sobie grupę symetrii typu wielkiej unifikacji, dlatego mechanizmy rozpadu są podobne, jak w modelach GUT lub SUSY-GUT.

Lepton (z gr. leptós - lekki, drobny) to grupa 12 cząstek elementarnych (6 cząstek i 6 antycząstek). Zaliczają się do niej: elektron, mion, taon, neutrino elektronowe, neutrino mionowe, neutrino taonowe oraz odpowiadające im antycząstki: pozyton (antyelektron), antymion, antytaon i antyneutrina. Ostatnim odkrytym (2000) leptonem było neutrino taonowe. Wszystkie leptony, z wyjątkiem neutrin i antyneutrin, posiadają ładunek ujemny (dla cząstek, np. elektronów) lub dodatni (dla antycząstek, np. pozytonów). Natomiast neutrina i antyneutrina posiadają ładunek zerowy.
Argon (Ar, łac. argon) – pierwiastek chemiczny będący gazem szlachetnym. Jest praktycznie niereaktywny i nie ma żadnego znaczenia biologicznego, jest także jednym ze składników powietrza. Argon wyodrębnili i zidentyfikowali Lord Rayleigh i sir William Ramsay w 1894 roku.

Trudniej jest otrzymać z teorii strun konkretne przewidywania na czas życia czy drogi rozpadu protonu, ze względu na bogactwo możliwych modeli. W praktyce brak doświadczalnej obserwacji rozpadu jest bardzo silnym testem teorii strun, pozwalającym na odrzucenie wielu jej wariantów, jako przewidujących zbyt szybki rozpad.

Super-Kamiokande albo Super-K - znajdujący się w japońskim mieście Hida wodny detektor promieniowania Czerenkowa o masie 50000 ton, kontynuacja prowadzonego w latach 1983-1995 eksperymentu Kamiokande (Kamioka Nucleon Decay Experiment) z mniejszym 3000 tonowym detektorem. Początkowo służył on do poszukiwań rozpadu protonu, a od 1986 roku do rejestracji neutrin słonecznych. Neutrina wykrywa się poprzez promieniowania Czerenkowa emitowane przez cząstki wybite (lub powstałe) w oddziaływaniu z neutrinem.
Ładunek elektryczny ciała (lub układu ciał) – fundamentalna własność materii przejawiająca się w oddziaływaniu elektromagnetycznym ciał obdarzonych tym ładunkiem. Ciała obdarzone ładunkiem mają zdolność wytwarzania pola elektromagnetycznego oraz oddziaływania z tym polem. Oddziaływanie ładunku z polem elektromagnetycznym jest określone przez siłę Lorentza i jest jednym z oddziaływań podstawowych.

czytaj dalej: [2], [3]

w oparciu o Wikipedię (licencja GFDL, CC-BY-SA 3.0, autorzy, historia, edycja)