Dezintegrarea protonilor

dezintegrarea protonilor
 Fișiere media la Wikimedia Commons

 Dezintegrarea protonului este o formă ipotetică de dezintegrare radioactivă în care un proton se descompune în particule subatomice mai ușoare, cum ar fi un pion (neutru) și un pozitron . Acest fenomen nu a fost încă observat, dar posibilitatea de a-i demonstra realitatea este de un interes din ce în ce mai mare în legătură cu perspectivele „ Marea Teorie Unificată” (GUT: Grand Unified Theory) [1] .

Protonul a fost mult timp considerat o particulă absolut stabilă , deși nu au existat niciodată temeiuri serioase pentru o astfel de încredere, deoarece, aparent, nu există o lege fundamentală a fizicii care să interzică dezintegrarea sa [2] . Interzicerea dezintegrarii protonului (cel mai ușor dintre barioni ) este asociată cu legea empirică de conservare a numărului barionic , cu toate acestea, această lege în sine nu are o justificare teoretică profundă - cantitatea conservată nu este asociată cu niciun spațiu . -simetria timpului (spre deosebire, de exemplu, de legea conservării energiei ) și nu are caracterul unei sarcini gauge (spre deosebire, de exemplu, de legea conservării sarcinii electrice ).

În cazul instabilității protonilor, toate nucleele atomice sunt radioactive (deși cu timpi de înjumătățire foarte lungi ).

Istorie

Posibilitatea dezintegrarii protonilor a fost de interes pentru fizicieni încă din anii 30 ai secolului XX , dar în ultimele decenii această problemă a devenit deosebit de importantă. În ciuda faptului că opinia despre stabilitatea absolută a protonului s-a bazat întotdeauna pe premise teoretice instabile, această problemă a atras puțină atenție până în 1974 , când au fost dezvoltate o serie de modele teoretice de mare unificare (GUT) în care dezintegrarea protonului nu este doar permisă. , dar și complet prezis cu siguranță. [2]

Prima astfel de încercare a fost făcută în 1973 de Abdus Salam și Jogesh Pati de la Imperial College London . Câteva luni mai târziu, fizicienii teoreticieni de la Harvard Sheldon Glashow și Howard Georgi și-au prezentat propria versiune a GUT, oferind primele modele pentru calcularea duratei de viață a protonilor .

În 1986, un experiment a arătat o limită inferioară de 3,1⋅10 32 de ani pentru canalul de dezintegrare într-un pozitron și un pion neutru [3] .

Valorile de viață obținute în cele mai simple versiuni ale acestor modele (mai mult de ani) sunt cu multe ordine de mărime mai mari decât vârsta Universului (aproximativ ani) [1] . Modelul SU(5) minim ( modelul Georgi-Glashow ) a prezis durata de viață a unui proton în timpul dezintegrarii într-un pion neutru și un pozitron de ordinul a 10 31 de ani . Experimentele efectuate până în 1990 ( Kamiokande en și o serie de altele) au arătat că durata de viață a unui proton în timpul dezintegrarii prin acest canal depășește această valoare. Ca rezultat, modelul minim de mare unificare SU(5) a fost „închis”. Astăzi, cea mai bună limită inferioară a duratei de viață a unui proton care se descompune prin acest canal este 1,6⋅10 34 ani ( experimentul Super-Kamiokande ) [4] .

În plus, neconservarea numărului barionilor este prezisă în teoriile supersimetriei , iar detectarea dezintegrarii protonilor le-ar valida și ar explica ruperea supersimetriei în epoca actuală. În același timp, deși dezintegrarea spontană a protonului nu este interzisă de legea conservării energiei , probabilitatea acestui proces este foarte mică din cauza masei uriașe a particulei virtuale intermediare, care ar trebui să se nască în acest caz. De exemplu, modelul SU(5) minim prezice apariția în acest caz a unei particule virtuale intermediare cu o masă de 10 15 GeV [1] (≈ 1,78⋅10 −9 g, care este comparabilă cu masa [5] a 1000 de bacterii medii ).

Căutare experimentală

Deoarece dezintegrarea unui proton este un proces aleatoriu, s-a propus alegerea unui volum mare de apă ca obiect de observație, din care un metru cub conține aproximativ 6⋅10 29 nucleoni (din care aproximativ jumătate sunt protoni). Dacă teoria lui Georgi și Glashow este corectă și fiecare proton are o șansă în ~10 31 să se descompună într-un anumit an, atunci teoretic observarea dezintegrarii a cel puțin câțiva protoni într-o țintă de apă de mai multe tone în timpul anului ar trebui să fie reală.

Fizicienii au organizat mai multe experimente la scară largă, în timpul cărora ar fi trebuit să observe dezintegrarea a cel puțin un singur protoni. Deoarece fulgerele așa-numitei radiații Cherenkov , care semnalează formarea de noi particule (inclusiv ca urmare a dezintegrarii protonilor), pot fi cauzate de razele cosmice, s-a decis să se efectueze experimentul adânc în subteran. Detectorul IMB (Irvin-Michigan-Brookhaven) este situat într-o fostă mină de sare de pe malul lacului Erie din Ohio . Aici, 7000 de tone de apă au fost înconjurate de 2048 fotomultiplicatoare . În paralel, în Japonia, un grup de oameni de știință de la Universitatea din Tokyo și o serie de alte organizații științifice [6] din laboratorul subteran Kamioka au creat detectorul Kamiokande ( Kamiokande - Kamioka Nucleon Decay Experiment), unde au fost vizualizate 3000 de tone de apă cu 1000 de fotomultiplicatori. Cu toate acestea, până la sfârșitul anilor 1980, nu a fost înregistrat niciun caz de dezintegrare a protonilor. În 1995, colaborarea Kamiokande a construit un nou detector, crescând masa de apă la 50.000 de tone ( Super-Kamiokande ). Observațiile la acest detector continuă până în prezent, dar rezultatul căutărilor de dezintegrare a protonilor la nivelul de sensibilitate atins este încă negativ [1] [4] .

Pe lângă degradarea într-un pion și un pozitron (limita actuală a duratei de viață pentru acest canal, după cum s-a menționat mai sus, este de 1,6⋅10 34 ani ), au fost efectuate căutări experimentale pentru peste 60 de alte opțiuni pentru canalele de dezintegrare, atât pentru proton și pentru neutron (în Cel din urmă caz ​​nu înseamnă dezintegrarea beta standard a neutronului , ci dezintegrarea cu neconservarea numărului barion , de exemplu, n → μ + π - ). Deoarece canalul de dezintegrare preferat este în general necunoscut, sunt stabilite și limitele inferioare experimentale ale duratei de viață a protonilor, indiferent de canalul de dezintegrare. Cel mai bun dintre ei este în prezent egal cu 1,1⋅10 26 ani [4] . Limita inferioară a duratei de viață a unui proton în timpul dezintegrarii cu formarea doar a particulelor „invizibile” (adică, care nu participă la interacțiuni puternice sau electromagnetice , cum ar fi neutrinii) este de 3,6⋅1029 ani [4] . Dezintegrarea unui proton prin canale „invizibile” încalcă legile de conservare nu numai a numărului barionic, ci și a sarcinii electrice; acest lucru nu se aplică dezintegrarii neutronilor.

Deși se așteaptă ca durata de viață a protonului și a antiprotonului să fie aceeași, au fost obținute limite inferioare experimentale ale duratei de viață a antiprotonului. Ele sunt semnificativ inferioare limitelor privind durata de viață a protonilor: cea mai bună limită este de numai aproximativ 10 7 ani [4] .

Unele teorii prezic, de asemenea, dezintegrarea perechilor sau tripleților de nucleoni (cu o modificare a numărului de barion cu 2 sau 3 unități) cu stabilitatea nucleonilor unici. Pentru diverse canale de dezintegrare a „dinucleonilor” (perechi pp , nn , pn ) din nucleele de fier, limitele inferioare ale duratei de viață a nucleului sunt stabilite la nivelul ⋅10 30 —⋅10 32 ani [4] .

Astfel, se constată că protonul este de cel puțin 1000 de ori mai stabil decât se prevede în teoria SU(5) minimă. În diferite versiuni ale teoriei supersimetriei , durata de viață a unui proton este prezisă la nivelul limitelor stabilite în prezent și mai sus. Pentru a testa această teorie, proiectul LAGUNA [7] a fost organizat cu o sensibilitate de 10 35 de ani . De asemenea, se presupune că Large Hadron Collider va juca un rol important în rezolvarea acestei probleme , cu ajutorul căreia teoria supersimetriei ar putea fi confirmată experimental [1] .

Vezi și

Note

  1. ↑ 1 2 3 4 5 BBC Focus , februarie 2008. Cele mai mari mistere ale lumii. Dezintegrarea Protonului. Robert Mathews. pp. 68-73.
  2. ↑ 1 2 Căutări pentru Dezintegrarea Protonilor și Monopolii Magnetici Supergrei. BV Sreekantan.  (engleză) . Consultat la 11 noiembrie 2008. Arhivat din original pe 24 septembrie 2015.
  3. ↑ Recorduri în știință și tehnologie. Particule și substanțe Cele mai și mai puțin stabile . Preluat la 23 iunie 2021. Arhivat din original la 24 iunie 2021.
  4. ↑ 1 2 3 4 5 6 Zyla PA și colab. (Grupul de date despre particule). Revizuirea 2020 a fizicii particulelor   // Prog . Theor. Exp. Fiz. - 2020. - Vol. 2020 . — P. 083C01 . Lista de particule: Proton. Arhivat pe 20 martie 2021 la Wayback Machine Acces deschis
  5. ↑ Sanyuk V. Magnetic monopoles: hopes and realities // Enciclopedia pentru copii. Fizică. Partea 2/capitolul. ed. V. Volodin. - M . : Avanta +, 2001. - S. 51.
  6. ↑ Această formă de experimente comune la scară largă în fizică se numește colaborare.
  7. ↑ Proiectul Laguna  . Consultat la 27 aprilie 2010. Arhivat din original pe 20 martie 2012.

Link -uri

 Detectarea dezintegrarii protonilor
Operare
Efectuat
  • Frejus
  • miza de acasă
  • HPW
  • IMB
  • Kamiokande
  • KGF
  • Soudan 1
  • Soudan 2
Viitor
Vezi si