陽子崩壊

粒子物理学において、陽子崩壊は、陽子が中性パイ中間子や陽電子などのより軽い亜原子粒子に崩壊する仮説上の粒子崩壊の一種である。[ 1 ]陽子崩壊^{仮説は、1967年に}アンドレイ・サハロフによって初めて定式化された。多大な実験努力にもかかわらず、陽子崩壊はこれまで観測されていない。陽電子を経由して崩壊する場合、陽子の半減期は少なくとも1.67 × 10 ³⁴ 年。^[2]

標準モデルによれば、重粒子の一種である陽子は、重粒子数（クォーク数）が保存されるため安定している（通常の状況下では。例外についてはカイラル異常を参照）。したがって、陽子は最も軽い（したがってエネルギーが最も低い）重粒子であるため、単独では他の粒子に崩壊しない。陽電子放出と電子捕獲（陽子が中性子になる放射性崩壊の形態）は、陽子が原子内の他の粒子と相互作用するため、陽子崩壊ではない。

標準モデルを超えた大統一理論（GUT）の中には、重粒子数の対称性を明確に破り、陽子がヒッグス粒子、磁気単極子、または半減期が10 ³¹～10 ^{36年の新しい}X粒子を介して崩壊することを可能にするものもある。比較のために、宇宙はおよそ1.38 × 10 ¹⁰歳。 ^{[3]現在までに、GUT によって予測された新しい現象 (陽子崩壊や}磁気単極子の存在など) を観測する試みはすべて失敗しています。

量子トンネル効果は陽子崩壊のメカニズムの一つである可能性がある。^{[4] [5] [6]}

量子重力^[7]（仮想ブラックホールとホーキング放射を介して）は、上記のGUTスケールの崩壊範囲をはるかに超える大きさや寿命での陽子崩壊の場や、超対称性における余剰次元を提供する可能性がある。^{[8] [9] [10] [11]}

陽子崩壊以外にも、重粒子の破れの理論的方法があり、これには（陽子崩壊で必要とされる）1以外の重粒子および/またはレプトン数の変化との相互作用が含まれます。これらには、2、3、またはその他の数のBおよび/またはLの破れ、またはB  −  Lの破れが含まれます。このような例には、中性子振動や、陽子と反レプトン との衝突^[12]またはその逆（レプトン生成と非GUT重粒子生成の重要な要因）の間に生じる可能性のある高エネルギーおよび高温での電弱スファレロン異常が含まれます。

現代物理学における未解決の問題の 1 つは、宇宙において物質が反物質より優勢であることです。宇宙全体としては、正の重粒子数密度がゼロではないようです。つまり、物質のほうが反物質より多いということです。宇宙論では、私たちが目にする粒子は、現在測定しているのと同じ物理学を使用して生成されたと想定されているため、通常、物質と反物質は同量生成されるはずなので、全体の重粒子数はゼロになるはずです。このことから、特定の条件下で通常の物質 (反物質ではなく) が生成されることを支持する対称性の破れのメカニズムが数多く提案されています。この不均衡は、ビッグバンから 1 秒のほんの一部で 10 ¹⁰粒子に 1 個という非常に小さな値でしたが、物質と反物質のほとんどが消滅した後、現在の宇宙にあるすべての重粒子物質と、はるかに多数のボソンが残りました。

大統一理論のほとんどは、この矛盾を説明する重粒子数対称性を明示的に破っており、典型的には、非常に質量の大きいX粒子を介した反応を想定する （
バツ
）または質量の大きいヒッグス粒子（
H⁰
これらのイベントの発生率は、中間体の質量によって大きく左右される。
バツ
または
H⁰
粒子であるため、これらの反応が今日見られる重粒子数の大部分を占めていると仮定すると、その速度を超えると現在の物質の存在を説明するには速度が遅すぎる最大質量を計算できます。これらの推定では、大量の物質が時折自発的な陽子崩壊を示すことが予測されます。

陽子崩壊は、1970年代に提案された様々な大統一理論（GUT）の重要な予測の1つであり、もう1つの重要な予測は磁気単極子の存在である。 両方の概念は、1980年代初頭以来、主要な実験物理学の取り組みの焦点となってきた。 今日まで、これらのイベントを観測する試みはすべて失敗しているが、これらの実験により、陽子の半減期の下限を確立することはできた。 現在、最も正確な結果は、日本のスーパーカミオカンデ水チェレンコフ放射検出器から得られている：^[13]陽子の半減期の下限は 陽電子崩壊により2.4 × 1034^年、同様に、反ミューオン崩壊による1.6 × 10 ³⁴ 年は、超対称性（SUSY）予測の10 ³⁴ –10 ³⁶ 年に近い。^[14]アップグレード版のハイパーカミオカンデは、おそらくスーパーカミオカンデの5～10倍の感度を持つだろう。

陽子崩壊の観測的証拠がないにもかかわらず、SU(5) Georgi-GlashowモデルやSO(10)などの大統一理論、およびその超対称変種は陽子崩壊を必要としている。これらの理論によれば、陽子の半減期は約10である。³¹ ~10³⁶年後に陽電子と中性パイ中間子 に崩壊し、さらにそれ自体がすぐに 2 つのガンマ線 光子に崩壊します。

$${\displaystyle {\begin{aligned}{\rm {p^{+}\longrightarrow e^{+}+}}&\ \pi ^{0}\\&\downarrow \\&2\gamma \end{aligned}}}$$

陽電子は反レプトンなので、この崩壊はB − L数を保存します。これはほとんどのGUTで保存されます。

追加の減衰モードも利用可能です（例：
p⁺
→
μ⁺
+
π⁰
）は、直接的にも、またGUT予測の磁気単極子との相互作用を介して触媒されても、生成する。^[15]このプロセスは実験的に観測されていないが、将来計画されているメガトン規模の非常に大規模な検出器の実験的検証範囲内である。そのような検出器にはハイパーカミオカンデが含まれる。

陽子崩壊を示唆した最初の一貫した理論であるジョージ・グラショーモデルなどの初期の大統一理論（GUT）では、陽子の半減期は少なくとも10 ³¹ 年。1990年代にさらなる実験と計算が行われ、陽子の半減期はこれ以下にはならないことが明らかになった。10 ³² 年。その時代の多くの書籍では、バリオン物質の崩壊時間としてこの数字が引用されている。最近の研究結果では、陽子の半減期の最小値は少なくとも10年とされている。³⁴ –10³⁵ 年であり、より単純なGUT（極小SU(5) / Georgi–Glashowを含む）とほとんどの非SUSYモデルを除外している。陽子寿命の上限（不安定な場合）は、6 × 10 ³⁹ 年、SUSYモデルに適用可能な上限^[16]であり、（極小）非SUSY GUTの最大値は1.4 × 10 ³⁶ 年。^{[16] （パート5.6）}

この現象は「陽子崩壊」と呼ばれていますが、この効果は原子核内に束縛された中性子にも見られます。原子核内にない自由中性子は、ベ​​ータ崩壊と呼ばれるプロセスで陽子（および電子と反ニュートリノ）に崩壊することがすでに知られています。自由中性子の半減期は10分です（610.2 ± 0.8秒）^[17]弱い相互作用による。原子核内に束縛された中性子の半減期ははるかに長く、陽子と同じくらい長いと思われる。

バニラSU(5)における陽子の寿命は、単純に次のように見積もることができる。^[19] 再統一スケールがµ付近の超対称GUT ~${\textstyle \tau _{p}\sim M_{X}^{4}/m_{p}^{5}}$ 2 × 10 ¹⁶  GeV/ c ²では寿命は約10 ³⁴ 年、おおよそ現在の実験下限値です。

-6次元の陽子崩壊演算子は であり、は標準モデルのカットオフスケールです。これらの演算子はすべて、重粒子数 ( B ) とレプトン数( L ) の保存則に違反しますが、組み合わせB  −  Lの保存則には違反しません。 ${\textstyle qqq\ell /\Lambda ^{2},}$ ${\textstyle d^{c}u^{c}u^{c}e^{c}/\Lambda ^{2},}$ ${\textstyle {\overline {e^{c}}}{\overline {u^{c}}}qq/\Lambda ^{2},}$${\textstyle {\overline {d^{c}}}{\overline {u^{c}}}q\ell /\Lambda ^{2},}$${\displaystyle \Lambda}$

GUTモデルでは、質量Λ _GUTを持つX または Y ボソンの交換により、最後の 2 つの演算子が によって抑制される可能性があります。質量Mを持つ三重項ヒッグスの交換により、すべての演算子が によって抑制される可能性があります。二重項 - 三重項分裂問題を参照してください。 ${\textstyle 1/\Lambda _{\text{GUT}}^{2}}$${\textstyle 1/M^{2}}$

• 陽子の崩壊。これらの図は、X ボソンとヒッグス粒子を示しています。
• 
  Xボソンを介した6次元陽子崩壊（3,2）
  _{− 5 ⁄ 6}SU(5) GUTでは
• 
  Xボソンを介した6次元陽子崩壊
  （3,2）
  _{1 ⁄ 6}反転SU(5)GUT
• 
  三重項ヒッグスTによる6次元陽子崩壊
  （3,1）
  _{− 1 ⁄ 3}および
  反三重項ヒッグスT（3,1）
  _{1 ⁄ 3}SU(5) GUTでは

超対称拡張 ( MSSMなど) では、質量Mのトリプティノの交換によって生じる2 つのフェルミオンと 2 つのスフェルミオンを含む次元 5 の演算子も使用できます。スフェルミオンはゲージノ、ヒッグスノ、またはグラビティーノを交換し、2 つのフェルミオンを残します。全体的なファインマン図にはループ (および強い相互作用の物理によるその他の複雑さ) があります。この崩壊率は によって抑制されます。ここで、M _{SUSY は}スーパーパートナーの質量スケールです。 ${\textstyle 1/MM_{\text{SUSY}}}$

物質パリティがない場合、標準モデルの超対称拡張により、ダウンクォーク質量の逆2乗によって抑制される最後の演算子が生じる可能性がある。これは、次元4の演算子によるものである。
q

ℓ

d͂
^cと
あなた
^c
d
^c
d͂
^c . ...

陽子の崩壊速度は によってのみ抑制されますが、結合が非常に小さい場合を除き、これは非常に速すぎます。 ${\textstyle 1/M_{\text{SUSY}}^{2}}$

• 宇宙の年齢
• B − L
• 仮想ブラックホール
• 弱い超電荷
• XボソンとYボソン
• 鉄の星

• Amsler, C.; et al. ( Particle Data Group ) (2008 年 9 月). 「粒子物理学のレビュー – N バリオン」(PDF) . Physics Letters B . 667 (1–5): 1–6. Bibcode :2008PhLB..667....1A. doi :10.1016/j.physletb.2008.07.018. hdl : 1854/LU-685594 . S2CID  227119789.
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• アダムス、フレッド、ラフリン、グレッグ（2000年）。宇宙の5つの時代：永遠の物理学の内側。ロンドン：タッチストーンブックス。ISBN 978-0-684-86576-8。
• クラウス、ローレンス・マクスウェル（2001年）。『原子：ビッグバンから地球上の生命、そしてその先への旅』。ボストン：リトル・ブラウン・アンド・カンパニー。ISBN 978-0-316-49946-0。
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Wikiquote には陽子崩壊に関する引用があります。

• スーパーカミオカンデの陽子崩壊
• IMB実験の絵で見る歴史
• ルチアーノ・マイアーニ(2006 年 2 月 8 日)。陽子崩壊の問題(PDF)。第 3 回 NO-VE ニュートリノ振動国際ワークショップ (ヴェネツィア)。ヴェネツィア。