Decaimento do próton

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Este artigo é sobre o decaimento de prótons dentro das partículas subatômicas. Para o tipo de decaimento radioativo em que um núcleo ejeta um próton, consulte Emissão protônica.

Em física de partículas, o decaimento do próton é uma forma hipotética de um decaimento radioativo em que o próton decai em partículas subatômicas mais leves, como um píon neutro e um pósitron. Atualmente, não há evidência experimental de que o decaimento do próton ocorre.

O padrão de isospins fracos, hypercharges fracos, e cargas de cor para as partículas no modelo de Georgi-Glashow. Aqui, um próton, composto por dois quarks up e um down, decai em um pion, que consiste em um up cima e anti-up, e um pósitron, através de um bóson X com carga eléctrica -4/3.

De acordo com o Modelo Padrão, prótons, um tipo de bárions, são estáveis ​​porque o número bariônico é conservado (em circunstâncias normais). Portanto, os prótons não irão decair em outras partículas por conta própria, porque eles são os mais leves e, portanto, os bárions menos energéticos .

Alguns além-do-Modelo Padrão Teoria da Grande Unificação (TGU) quebram explicitamente a simetria de número de bárions, permitindo que os prótons a decaiam através da partícula de Higgs, monopolos magnéticos ou os bósons X com uma meia-vida de 1031 a 1036 anos. O decaimento do próton é um dos poucos efeitos não observadas dos diferentes TGUs propostos. Até à data, todas as tentativas para observar esses eventos tenham falhado.

Bariogênese[editar | editar código-fonte]

Um dos problemas pendentes em física moderna é a predominância da matéria sobre a antimatéria no universo. O universo, como um todo, parece ter um valor diferente de zero para a densidade de número bariônico - isto é, a matéria existe. Uma vez que é assumido na cosmologia que as partículas que vemos foram criados usando a mesma física que medimos hoje, ele seria normalmente esperado que o número de bárions total deve ser zero, como matéria e antimatéria devem ter sido criadas em quantidades iguais. Isto levou a uma série de mecanismos propostos para a quebra de simetria que favorecem a criação de matéria normal (em oposição a antimatéria) sob determinadas condições. Este desequilíbrio teria sido excepcionalmente pequena, da ordem de 1 em cada 10.000 milhões (1010) partículas uma pequena fração de segundo após o Big Bang, mas depois a maior parte da matéria e antimatéria aniquilada, o que sobrava era toda a matéria bariônica no universo atual, juntamente com um número muito maior de bósons. Experiências relatadas em 2010 no Fermilab, no entanto, parecem mostrar que este desequilíbrio é muito maior do que o previsto anteriormente. Numa experiência envolvendo uma série de colisões de partículas, a quantidade de matéria gerado foi de aproximadamente 1% maior do que a quantidade de anti-matéria gerado. A razão para esta discrepância é ainda desconhecido.

A maioria das teorias da grande unificação quebram explicitamente a simetria número de bárions, que seriam responsáveis ​​por esta discrepância, geralmente invocando reações mediadas por muito maciças bósons X (X) Ou bósons de Higgs massivos (H0). A taxa à qual estes eventos ocorrem é governada em grande medida por a massa do intermediário X ou H0 partículas, então, assumindo estas reações são responsáveis ​​pela maioria do número bariônico visto hoje, uma massa máxima pode ser calculada a partir do qual a taxa seria demasiado lento para explicar a presença de matéria hoje. Estas estimativas preveem que um grande volume de material irá ocasionalmente exibem uma decomposição espontânea de prótons.

Evidência experimental[editar | editar código-fonte]

O decaimento do próton é um dos poucos efeitos não observados de várias TGUs propostas na década de 1970, outro grande sendo um deles monopolos magnéticos. Ambos se tornaram o foco de grandes esforços físicos experimentais que começam no início de 1980. O decaimento do próton foi, durante algum tempo, uma área muito ativa de pesquisa em física experimental. Até à data, todas as tentativas para observar esses eventos tenham falhado. Os melhores resultados vêm do detector de radiação Cherenkov Super-Kamiokande no Japão. 2015 análise deu meia-vida superior a 1,67×1034 anos através do decaimento de pósitrons e a análise de 2012 deu 1,08 × 1034 anos através de decaimento do anti-múon, perto de uma supersimetria previsão de 1034-1036 ano. Uma versão atualizada, o Hyper-Kamiokande, provavelmente terá sensibilidade 5-10 vezes maior do que o Super-Kamiokande.

Motivação teórica[editar | editar código-fonte]

Apesar da falta de evidência observacional para decaimento do próton, algumas teorias de grande unificação, tais como o modelo de Georgi-Glashow, exigem. De acordo com tais teorias, o próton tem uma meia-vida de cerca de 1031 a 1036 anos e decai para um pósitron e um píon neutro que se imediatamente decai em 2 fótons de raios-gama :

p + → e+ + π0

π0 → 2 γ

Uma vez que um pósitron é um anti-lépton esta deterioração preserva o número B-G, que é conservada na maioria das TGUs.

Diferentes modos de decaimento adicionais são possíveis (por exemplo .:p+ → μ+ + π0) , tanto diretamente e quando catalisadamente através da interação com o predito-TGU monopolo magnético. Embora este processo não foi observado experimentalmente, está dentro do reino das possibilidades de teste experimental para o futuro planejado próprios detectores de grande escala na escala megaton. Tais detectores incluem o Hyper-Kamiokande.

As primeiras teorias grande unificação (TGU), tais como o modelo de Georgi-Glashow, que foram os primeiros teorias consistentes que sugerem o decaimento do próton, postulado que a meia-vida do próton seria, pelo menos, 1031 anos. Como novos experimentos e cálculos foram realizados na década de 1990, tornou-se claro que a meia-vida de prótons não poderia estar abaixo de 1032 anos. Muitos livros desse período se referir a esta figura para o tempo de decaimento possível para matéria bariônica. descobertas mais recentes têm empurrado que a meia-vida mínima do próton seria de, pelo menos, 1034-1035 anos, descartando os TGUs mais simples e a maioria dos modelos de não-supersimetria. O limite superior máximo da vida de prótons (se instável), é calculado em 6 x 1039 anos, aplicável a ambos os modelos padrão e supersimetria.

Embora o fenômeno é referido como "decaimento de protons", o efeito também seria vista em neutrons ligados dentro núcleos atômicos. nêutrons esses livres não dentro de um núcleo atômico -são já conhecidos por decaírem em prótons (e um elétron e um antineutrino) em um processo chamado decaimento beta. nêutrons livres têm uma meia-vida de cerca de 10 minutos (610,2 ± 0,8 s), devido à interação fraca. Os nêutrons ligados no interior de um núcleo tem uma meia-vida imensamente maior, aparentemente tão grande como a do próton.

Referências[editar | editar código-fonte]

  1. Radioactive decays by Protons. Myth or reality?, Ishfaq Ahmad, The Nucleus, 1969. pp 69-70
  2. V.M. Abazov; et al. (2010). "Evidence for an anomalous like-sign dimuon charge asymmetry". arXiv:1005.2757.
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  4. H. Nishino; Super-K Collaboration (2012). "Search for Proton Decay via p+  →  e+ π0 and p+  → μ+ π0  in a Large Water Cherenkov Detector". Physical Review Letters102 (14): 141801.
  5. "Proton lifetime is longer than 1034 years"www-sk.icrr.u-tokyo.ac.jp. 25 November 2009.
  6. B. V. Sreekantan (1984). "Searches for Proton Decay and Superheavy Magnetic Monopoles" (PDF). Journal of Astrophysics and Astronomy5 (3): 251–271. Bibcode:1984JApA....5..251Sdoi:10.1007/BF02714542.
  7. Pran Nath and Pavel Fileviez Perez, "Proton Stability in Grand Unified Theories, in Strings and in Branes", Appendix H; 23 April 2007. arXiv:hep-ph/0601023 http://arxiv.org/abs/hep-ph/0601023
  8. K.A. Olive; et al. (2014). "Review of Particle Physics – N Baryons" (PDF). Chin. Phys. C38: 090001. arXiv:astro-ph/0601168Bibcode:2006JPhG...33....1Ydoi:10.1088/1674-1137/38/9/090001.
  9. "Grand Unified Theories and Proton Decay", Ed Kearns, Boston University, 2009, page 15. http://physics.bu.edu/NEPPSR/TALKS-2009/Kearns_GUTs_ProtonDecay.pdf
  10. http://www.imdb.com/title/tt0629174/?ref_=ttep_ep16