דעיכת פרוטון

בפיזיקת החלקיקים, דעיכת פרוטון היא צורה תאורטית של דעיכת חלקיק שבו הפרוטון דועך לחלקיקים תת-אטומיים קלים יותר כמו פאיון נטרלי ופוזיטרון.^[1] דעיכת הפרוטון התאורטית נוסחה לראשונה על ידי אנדריי סקרוב ב-1967. למרות המאמצים הניסויים הקשים, דעיכת פרוטון לעולם לא נצפתה. אם הפרוטון היה דועך לפוזיטרון, מחצית מהחיים של הפרוטון הייתה לפחות 1.67× 10³⁴ שנים.^[2] לפי המודל הסטנדרטי, פרוטונים, שהם סוג של באריון (מורכבים מ-3 קווארקים),יציבים עקב שימור המספר הבאריוני. על כן ניתן להסיק שפרוטונים לא ידעכו לחלקיקים אחרים בעצמם, כיוון שהם הבאריונים הקלים ביותר (ולכן הכי פחות אנרגטיים).

פליטת פוזיטרון (positron emission).שהוא תהליך רדיו אקטיבי, פרוטון מגרעין אטום הופך, על ידי אינטראקציה עם ובוזון W+ לנייטרון. תהליך זה אינו דעיכת פרוטון, שכן הפרוטון יוצר אינטראקציה עם חלקיקים אחרים באטום.

ישנן תיאוריות מעבר למודל החלקיקי אשר נקראות "תאוריה מאוחדת גדולה" (GUTׂ grand unified theories ) ששוברות בבירור את סימטריות המספר הבאריוני, תיאוריות אלו טענות כי פרוטון יכול לדעוך באמצעות חלקיק היגס, חד־קוטב מגנטי או בוזון אחר בעל זמן מחצית חיים של 10³¹ עד 10³⁶ שנים. עד היום, כל הניסיונות לחזות בתופעה חדשה אשר נחזתה על ידי GUT (כמו דעיכת פרוטון או הקיום של המונופול המגנטי) נכשלו.

יש שיטות תאורטיות של הפרת באריון חוץ דעיכת פרוטון, הכוללות אינטראקציה עם שינויים של באריון גם/או שמספר הלפטון שונה מ-1 (כמו שמתבקש בדעיכת פרוטון).^[3]

באריוגנזה

אחת מהבעיות יוצאות הדופן בפיזיקה המודרנית זאת העליונות של החומר על האנטי-חומר ביקום. היקום ככלל כנראה בעל צפיפות של מספר באריוני חיובי ששונה מאפס - ככה שחומר קיים. כיוון שהונח בקוסמולוגיה שהחלקיקים שאנו רואים נוצרו בפיזיקה זהה לזו שאנו מודדים כיום, היה מצופה שהמספר הכולל הבאריוני יהיה אפס, כמו שחומר ואנטי חומר היו צריכים להיווצר בכמות שווה. זה הוביל למספר מנגנונים מוצעים של "שבירה סימטרית" שהבריאה העדיפה את החומר הנורמלי (ההפך מאנטי חומר) תחת תנאים מסוימים.

חוסר האיזון הזה היה קטן באופן לא רגיל, בסדר גודל של 1 כל 10000000000 (10¹⁰) חלקיקים, חלקיק שנייה קטן אחרי המפץ הגדול, אבל אחרי שרוב החומר והאנטי-חומר הושמד, כל מה שנשאר היה כל החומרים הבאריונים בייקום הנוכחי, יחד עם מספר גדול יותר של בוזונים.

ניסויים שבוצעו ב-2010 בפרמילאב מדווחים שחוסר האיזון בין החומר לאנטי-חומר הרבה יותר גדול ממה שהניחו עד כה. בניסוי שכלל סדרת התנגשויות חלקיקים, כמות החומר שנוצר היה בקירוב 1% גדול מהכמות האנטי חומר שנוצרה. הסיבה לזה עדיין לא ידועה.^[4]

רוב התיאוריות הגדולות והמאוחדות שוברות במפורש את הסימטריות של המספר הבאריוני, שמסבירות את אי ההתאמה, בדרך כלל מעוררות תגובות המתווכות על ידי בוזוני X מאסיביים, או בוזוני היגס מאסיביים. שיעור התרחשות האירועים תלוי בעיקר במסת התיווך בחלקיקי ה-X או בחלקיקי ההיגס, אז על ידי השערה שתגובות אלה אחראיות לרוב המספרים הבאריונים שרואים בימינו, שיעור המסה המרבית אשר ניתן לחישוב יהיה איטי מכדי להסביר את נוכחות החומר כיום. השיעורים האלה חוזים שכמות גדולה של חומר תראה מדי פעם דעיכת פרוטון ספונטנית.

הוכחות מניסויים

דעיכת פרוטון זה אחד ממפתחות הניבוי של התיאוריה המאוחדת הגדולה. מאז שנות ה-80 המוקדמות, היו מאמצים ניסויים פיזיקליים אשר התמקדו במונופול המגנטי ודעיכת פרוטון. עד היום, כל הניסיונות לצפות כל הניסיונות לצפות באחת משתי תופעות אלו נכשלו. עם זאת, ניסויים אלו הצליחו לבסס את התחומים הנמוכים יותר של מחצית חיים הפרוטון. כרגע, התוצאה המדויקת ביותר הגיעה מה-"Super-Kamiokande" מקרינת הצ'רניקוב במים ביפן.

מוטיבציה תאורטית

למרות החוסר בראיות נצפות של דעיכת פרוטון, חלק מהתיאוריה המאוחדת הגדולה, כמו התאוריה "המודל של גרגורי גלשוב", וגם גרסאות הסופר-סימטריות, דורשות זאת.

על פי תיאוריות אלה, זמן מחצית החיים של הפרוטון הוא 10³¹ ל־10³⁶ שנים, והפרוטון דועך לפוזיטרון ולפאיון נייטרלי שמיד דועך ל-2 פוטונים.^[5]

p+ → μ+ + π0

π0	→	2γ

סוג תיאוריה	זמן מחצית החיים של פרוטון (בשנים)
(Minimal SU(5) (Georgi–Glashow	1030–1031
(Minimal SUSY SU(5	1028–1032
(SUGRA SU(5	1032–1034
(SUSY SU(5)(MSSM	~1034
Minimal (Basic) SO(10) – Non-SUSY	< ~ 1035 (תווח מקסימלי)
(SUSY SO(10	1032–1035
(SUSY SO(10) MSSM G(224	2·1034
(Flipped SU(5) (MSSM	1035–1036
SUSY SU(5) – 5 dimensions	1034–1035