質子衰變是現代物理領域中一個引人入勝且基礎的議題之一。它與中子和電子一起構成原子的核心組成部分，這些粒子穩定性對物質存在至關重要。已知中子在原子核外可發生衰變，但質子似乎穩定得多。儘管如此，一些理論模型暗示質子可能並非永恆不變。
質子衰變這一概念最早於1967年由安德列·薩哈羅夫提出。依據粒子物理學的標準模型，質子應為穩定的，因為守恆了重子數。這意味著在正常情況下，質子不會衰變，因為它們是最輕的重子。然而，一些超出標準模型的理論，預測質子最終會衰變。這些理論表明，在極高能量下，自然界的力會統一，重子數守恆可能被打破。這種違反將允許質子衰變成更輕的粒子。
預測質子衰變的理論一般屬於大統一理論（GUTs）的範疇。這些理論提出，在高能量水準下，標準模型的三種基本力（電磁、弱核和強核力）會合併為一種力。這種統一意味著在標準模型下穩定的質子可以通過違反重子數守恆的過程衰變。
最著名的大統一理論之一是SU(5)模型，該模型預測質子可以衰變成正電子和中性π介子。另一個重要模型是SO(10)理論，它擴展了SU(5)模型並包括右手中微子，可能解釋了自然中觀察到的中微子的小品質。儘管這些模型預測了不同的衰變通道和質子的壽命，但都表明質子最終會衰變。
超對稱性（SUSY）是另一種預測質子衰變的理論框架。SUSY假設標準模型中的每個粒子都有一個具有不同自旋特性的超級夥伴。在SUSY模型中，質子可通過涉及超對稱粒子的相互作用而衰變，導致不同的衰變通道和壽命。
弦理論則提出基本粒子為一維“弦”而非點狀粒子，並同樣預測質子會發生衰變。在弦理論中，力量的統一發生在極高的能量尺度上，並可能存在額外的空間維度。這些額外維度可能影響質子的衰變率和通道。雖然弦理論仍然處於高度推測階段，但它為探索質子衰變和其他超出標準模型的現象提供了豐富的框架。
量子引力理論旨在將廣義相對論和量子力學統一起來，並對質子衰變產生影響。一些模型建議質子可以通過微觀黑洞過程或其它量子引力效應而衰變。儘管這些理論還處於初期階段，它們為理解質子衰變和物質的命運提供了有趣的視角。
如果確實存在質子衰變，那麼它將對我們對宇宙的理解產生重大影響。因為物質的穩定性依賴於質子的穩定性，所以質子的衰變意味著所有物質最終都是不穩定的，儘管這個時間跨度遠超當前宇宙的年齡。這也將為GUTs提供支援，有助於統一自然界的基本力量。
此外，質子衰變可以幫助解釋宇宙中的物質-反物質不對稱性。根據宇宙學理論，大爆炸應該產生等量的物質和反物質。然而，可觀測的宇宙主要由物質組成。質子衰變及其相關過程可以為這種不對稱性提供機制，幫助我們理解為什麼宇宙主要由物質構成。
粒子物理學的標準模型在許多方面取得了顯著成功，但它未涵蓋引力、暗物質或暗能量等問題，同時假定質子是穩定的。發現質子衰變將證明標準模型並不完整，需要新的物理學來解釋這一現象。這可能推動發展一個更全面的理論，以統一所有基本的力量和粒子。
儘管有強烈的理論動機，但至今尚未觀測到質子的衰變。探測質子衰變的實驗需要構建巨大的探測器，以便捕捉GUTs預言的罕見事件。例如日本的超級神岡探測器，它使用一個巨大的水箱，並圍繞其設置敏感的探測器來監測質子衰變。儘管目前尚未發現證據支持質子衰變，但已將質子的半衰期下限設定為大約1.67✖10^{34}年。
探測質子衰變的一大挑戰在於區分真實的衰變事件和背景雜訊。宇宙射線、天然放射性等因素都可能產生與質子衰變相似的信號。為了減少和識別背景雜訊，先進的探測器採用各種技術，如地下深處的位置、有效的遮罩措施以及複雜的數據分析方法。
為了提高探測到質子衰變的機會，一些實驗採用了不同類型的材料和探測方法組合多個探測器。這種方法有助於交叉驗證潛在的衰變事件並減少假陽性的可能性。例如，結合水切倫科夫探測器和液氬探測器能夠互補地提供數據，從而提高整體靈敏度。