Was ist der Unterschied zwischen beta-positivem Zerfall und Protonenzerfall?

Protonen und Neutronen sind sehr ähnliche Teilchen . Obwohl sie unterschiedliche Ladungen haben, sind sie, was die starke Kraft betrifft, fast identisch. Die Umwandlung eines Protons in ein Neutron und zurück wird also nicht als Zerfall betrachtet, da Sie die Anzahl der Nukleonen nicht ändern. Genauer gesagt bleibt die Baryonenzahl konstant.

Wenn wir Proton und Neutron als gebundenen Zustand von drei Quarks beschreiben$^1$dann besteht ein Proton aus zwei Up- und einem Down-Quark, während ein Neutron aus zwei Down- und einem Up-Quark besteht. Um sie auszutauschen, muss ein Up-Quark in ein Down-Quark und umgekehrt umgewandelt werden , was durch Emission/Absorption eines Elektrons oder Positrons geschieht. Die Anzahl der Quarks ändert sich nicht und der Vorgang ist reversibel.

Der Prozess, den wir normalerweise als Protonenzerfall bezeichnen, ist insgesamt radikaler. Es gibt tatsächlich verschiedene mögliche Mechanismen für den Protonenzerfall, aber bei allen verschwindet das Proton vollständig und hinterlässt nur ein Positron und zwei Photonen. Dies muss die Schaffung eines hypothetischen und bisher unbeobachteten Teilchens namens X-Boson beinhalten . Das Standardmodell enthält das X-Boson nicht, so dass das Proton für das Standardmodell nicht zerfallen kann.

$^1$Vorsicht! Nicht wörtlich wahr!

Protonen und Neutronen gehören zu einem Isospin-Dublett mit Baryon Nummer eins. Die Baryonenzahl ist eine Erhaltungsgröße, ein Gesetz, das sich aus experimentellen Beobachtungen ergibt. Hier ist die Darstellung, wo das Proton und das Neutron hingehören, das Baryonen-Oktett :

Diese Teilchen zerfallen auf die niedrigste für Baryonen repräsentative Masse, das Proton, und das Proton wird als stabil angesehen.

Beta + -Zerfall ist zulässig, wenn genügend Energie vorhanden ist, aber auch hier bleibt die Baryonenzahl erhalten.

Mit der Entdeckung der Quarks ist das Standardmodell konsistent, indem es jedem Quark eine 1/3-Baryonenzahl gibt. Die Frage nach dem Zerfall des Protons selbst wird verneint. Es ist alles auf das Erhaltungsgesetz der Baryonenzahl zurückzuführen, das in der Mathematik des Standardmodells erfüllt ist.

Es gibt jedoch Modelle jenseits des Standardmodells, und dort kann man Diagramme schreiben und Wahrscheinlichkeiten für den Zerfall eines Protons berechnen , zum Beispiel werden im Diagramm unten weder die Baryonenzahl- noch die Leptonenzahlregeln des Standardmodells befolgt.

Das x ist in diesem Modell ein Leptoquark , und sie suchen am LHC danach.

Es gibt laufende Experimente, die diese vorgeschlagenen Erweiterungen des Standardmodells überprüfen, und sie haben Grenzen für Protonenzerfälle gesetzt .

Ein Ergebnis aus dem Jahr 2014 mit 260 kT·Jahren an Daten, bei der Suche nach dem Zerfall von K-Mesonen, legte eine untere Grenze von 5,9 × 10^33 Jahren fest, nahe an einer Supersymmetrie (SUSY)-Vorhersage von fast 10^34 Jahren.

Protonen haben kleinere Massen als Neutronen. Der Zerfall eines freien Neutrons in a (Proton, Elektron, Antineutrino) ist energetisch günstig, der Zerfall eines freien Protons in a (Neutron, Positron, Neutrino) jedoch nicht möglich. Innerhalb eines Kerns ist jedoch letzterer Prozess möglich (positiver Beta-Zerfall). In beiden Fällen bleibt die Anzahl der Baryonen gleich. Der exotische Protonenzerfall hinterlässt überhaupt keine Baryonen.