דעיכת פרוטון

בפיזיקת החלקיקים, דעיכת פרוטון היא צורה תאורטית של דעיכת חלקיק שבו הפרוטון דועך לחלקיקים תת-אטומיים קלים יותר כמו פאיון נייטרלי ופוזיטרון. דעיכת הפרוטון התאורטית נוסחה לראשונה על ידי אנדריי סקרוב ב-1967. למרות המאמצים הניסויים הקשים, דעיכת פרוטון מעולם לא נצפתה. אם הפרוטון היה דועך לפוזיטרון, מחצית מהחיים של הפרוטון הייתה לפחות $1.67\cdot {10}^{34}$ שנים. 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).

בפליטת פוזיטרון שהוא תהליך רדיו אקטיבי, פרוטון מגרעין אטום הופך, על ידי אינטראקציה עם בוזון W+ לנייטרון. תהליך זה אינו דעיכת פרוטון, שכן הפרוטון יוצר אינטראקציה עם חלקיקים אחרים באטום.

ישנן תיאוריות מעבר למודל הסטנדרטי 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 $10^{31}$ עד $10^{36}$ שנים. עד היום, כל הניסיונות לחזות בתופעה חדשה אשר נחזתה על ידי GUT (כמו דעיכת פרוטון או הקיום של מונופול מגנטי) נכשלו.

יש שיטות תאורטיות של הפרת שימור המספר הבאריוני חוץ מדעיכת פרוטון, הכוללות אינטראקציה עם שינויים של באריון ו/או שמספר הלפטון שונה מ-1 (כמו שמתבקש בדעיכת פרוטון).

באריוגנזה

אחת מהבעיות יוצאות הדופן בפיזיקה המודרנית, היא הכמות הגדולה של החומר ביחס לאנטי-חומר ביקום. היקום ככלל כנראה בעל צפיפות של מספר באריוני חיובי ששונה מאפס - ככה שחומר קיים ואנטי חומר לא קיים בכמויות משמעותיות. כיוון שהונח בקוסמולוגיה שהחלקיקים שאנו רואים נוצרו בפיזיקה זהה לזו שאנו מודדים כיום, היה מצופה שהמספר הכולל הבאריוני יהיה אפס, כך שחומר ואנטי חומר היו צריכים להיווצר בכמות שווה. זה הוביל למספר מנגנונים מוצעים של "שבירה סימטרית" שהחומר הנורמלי (שאינו אנטי חומר) עדיף תחת תנאים מסוימים.

חוסר האיזון הזה היה קטן מאוד, בסדר גודל של 1 ל-10,000,000,000 ($10^{10}$) חלקיקים, חלקיק שנייה קטן אחרי המפץ הגדול, אבל אחרי שרוב החומר והאנטי-חומר הושמד, כל מה שנשאר היה כל החומרים הבאריונים ביקום בצורתו הנוכחית, 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% יותר מהכמות האנטי חומר שנוצרה. הסיבה לזה עדיין לא ידועה.

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, כך שעל ידי השערה שתגובות אלה אחראיות לרוב המספרים הבאריונים שרואים בימינו, שיעור המסה המרבית אשר ניתן לחישוב יהיה קטן מכדי להסביר את נוכחות החומר כיום. השיעורים האלה חוזים שכמות גדולה של חומר תראה מדי פעם דעיכת פרוטון ספונטנית.

הוכחות מניסויים

דעיכת פרוטון היא אחת ממפתחות הניבוי של התיאוריה המאוחדת הגדולה. מאז שנות ה-80 המוקדמות, היו מאמצים ניסויים אשר התמקדו במונופול המגנטי ודעיכת פרוטון. עד היום, כל הניסיונות לצפות באחת משתי תופעות אלה נכשלו. עם זאת, ניסויים אלו הצליחו לבסס חֶסֶם תחתון של זמן מחצית החיים של 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 סופר-סימטריות, דורשות זאת.

על פי תיאוריות אלה, זמן מחצית החיים של הפרוטון הוא בין $10^{31}$ ל־$10^{36}$ שנים, והפרוטון דועך לפוזיטרון ולפאיון נייטרלי שמיד דועך ל-2 פוטונים.

p+ → μ+ + π0

π0

→

2γ

סוג תיאוריה	זמן מחצית החיים של פרוטון (בשנים)
(Minimal SU(5) (Georgi–Glashow	$10^{30}-10^{31}$
(Minimal SUSY SU(5	${10}^{28}-{10}^{32}$
(SUGRA SU(5	${10}^{32}-{10}^{34}$
(SUSY SU(5)(MSSM	${10}^{34}$~
Minimal (Basic) SO(10) – Non-SUSY	~${10}^{35}$ (טווח מקסימלי)
(SUSY SO(10	${10}^{32}-{10}^{35}$
(SUSY SO(10) MSSM G(224	$2\cdot {10}^{34}$
(Flipped SU(5) (MSSM	${10}^{35}-{10}^{36}$
SUSY SU(5) – 5 dimensions	${10}^{34}-{10}^{35}$

דעיכת פרוטון במדיה

כאשר וודי אלן בסרטו משנת 1980 פותח באווירה דיכאונית ואומר "האם מישהו קרא בעמוד הראשון של העיתון טיימס שהחומר דועך?", זו הייתה התייחסות כמעט ישירה לדגמי התיאוריה המאוחדת הגדולה של שנות השבעים בהתחשב בתקופת הסרט, ובחשיבות הדגמים הללו באותה תקופה, היו עשרות מאמרים גם בתקשורת הכללית על כמה מההשלכות הבולטות ביותר של הדגם, ובמיוחד הטענה של דעיכת פרוטון.

בפרק של חוק וסדר "המפץ הגדול" ישנו מרדף של מדען אחר ראיות שדעיכת פרוטון קיימת אשר מוביל לרצח המרכזי בפרק.

בפרק של הסדרה המפץ הגדול "אופטימיזציית החרדה", לשלדון יש בעיה במחקרו על חומר אפל ודעיכת פרוטון. בספרו של ג'רי ספינלי "Smiles to Go" הרעיון של דעיכת פרוטון הוא למעשה מקור החרדה של גיבור הספר.