يعد اضمحلال البروتون أحد الموضوعات الرائعة والأساسية في مجال الفيزياء الحديثة. جنبا إلى جنب مع النيوترونات والإلكترونات ، فإنه يشكل اللبنات الأساسية للذرات ، واستقرار هذه الجسيمات ضروري لوجود المادة. من المعروف أن النيوترونات تتحلل خارج النواة ، لكن يبدو أن البروتونات أكثر استقرارا. ومع ذلك ، تشير بعض النماذج النظرية إلى أن البروتونات قد لا تكون غير قابلة للتغيير.
تم اقتراح مفهوم اضمحلال البروتون لأول مرة من قبل أندريه ساخاروف في 1967. وفقا للنموذج القياسي لفيزياء الجسيمات ، يجب أن تكون البروتونات مستقرة لأن عدد الباريونات محفوظ. هذا يعني أنه في ظل الظروف العادية ، لا تتحلل البروتونات لأنها أخف الباريونات. ومع ذلك ، فإن بعض النظريات التي تتجاوز النموذج القياسي تتنبأ بأن البروتونات سوف تتحلل في النهاية. تشير هذه النظريات إلى أنه في الطاقات العالية للغاية ، سيتم توحيد قوى الطبيعة وقد يتم كسر الحفاظ على أعداد الباريون. سيسمح هذا الانتهاك للبروتون بالتحلل إلى جزيئات أخف.
تندرج النظريات التي تتنبأ باضمحلال البروتون بشكل عام تحت مظلة النظريات الموحدة الكبرى (GUTs). تقترح هذه النظريات أنه عند مستويات الطاقة العالية ، تندمج القوى الأساسية الثلاث للنموذج القياسي (الكهرومغناطيسية ، والنواة الضعيفة ، والنووية القوية) في قوة واحدة. يعني هذا التوحيد أنه بموجب النموذج القياسي ، يمكن أن تتحلل البروتونات المستقرة من خلال عملية تنتهك الحفاظ على أعداد الباريون.
واحدة من أكثر النظريات الموحدة الكبرى شهرة هي نموذج SU (5) ، الذي يتنبأ بأن البروتونات يمكن أن تتحلل إلى بوزيترونات وميزونات π محايدة. نموذج مهم آخر هو نظرية SO (0) ، التي توسع نموذج SU (0) وتشمل النيوترينوات اليمنى ، مما قد يفسر الصفات الصغيرة للنيوترينوات التي لوحظت في الطبيعة. على الرغم من أن هذه النماذج تتنبأ بقنوات اضمحلال مختلفة وعمر البروتونات ، إلا أنها تشير جميعها إلى أن البروتونات ستتحلل في النهاية.
التناظر الفائق (SUSY) هو إطار نظري آخر للتنبؤ باضمحلال البروتون. تفترض SUSY أن كل جسيم في النموذج القياسي له شريك فائق بخصائص دوران مختلفة. في نموذج SUSY ، يمكن أن تتحلل البروتونات من خلال التفاعلات التي تنطوي على جسيمات فائقة التناظر ، مما يؤدي إلى قنوات اضمحلال مختلفة وعمر افتراضي.
من ناحية أخرى ، تقترح نظرية الأوتار أن الجسيمات الأولية هي "أوتار" أحادية البعد وليست جزيئات نقطية ، وتتنبأ بالمثل باضمحلال البروتونات. في نظرية الأوتار ، تحدث وحدة القوى بمقاييس طاقة عالية للغاية وقد يكون لها بعد مكاني إضافي. يمكن أن تؤثر هذه الأبعاد الإضافية على معدل اضمحلال البروتونات وقنوات البروتونات. في حين أن نظرية الأوتار لا تزال تخمينية للغاية ، إلا أنها توفر إطارا غنيا لاستكشاف اضمحلال البروتون والظواهر الأخرى خارج النموذج القياسي.
تهدف نظرية الجاذبية الكمومية إلى توحيد النسبية العامة وميكانيكا الكم ولها تأثير على اضمحلال البروتونات. تشير بعض النماذج إلى أن البروتونات يمكن أن تتحلل من خلال عمليات الثقب الأسود المجهرية أو تأثيرات الجاذبية الكمومية الأخرى. على الرغم من أن هذه النظريات لا تزال في مهدها ، إلا أنها توفر منظورا مثيرا للاهتمام حول فهم اضمحلال البروتون ومصير المادة.
إذا كان اضمحلال البروتون موجودا ، فسيكون له تأثير كبير على فهمنا للكون. نظرا لأن استقرار المادة يعتمد على استقرار البروتونات ، فإن اضمحلال البروتونات يعني أن كل المادة غير مستقرة في النهاية ، على الرغم من أن هذه الفترة الزمنية تتجاوز بكثير عمر الكون الحالي. سيوفر هذا أيضا الدعم لمجموعات الهجرة ، مما يساعد على توحيد القوى الأساسية للطبيعة.
بالإضافة إلى ذلك ، يمكن أن يساعد اضمحلال البروتون في تفسير عدم تناسق المادة والمادة المضادة في الكون. وفقا للنظرية الكونية ، كان من المفترض أن ينتج الانفجار العظيم كميات متساوية من المادة والمادة المضادة. ومع ذلك ، فإن الكون المرئي يتكون في الغالب من المادة. يمكن أن يوفر اضمحلال البروتون والعمليات المرتبطة به آليات لهذا عدم التناسق ، مما يساعدنا على فهم سبب تكوين الكون بشكل أساسي من المادة.
كان النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات ناجحا بشكل ملحوظ من نواح كثيرة ، لكنه لا يغطي قضايا مثل الجاذبية أو المادة المظلمة أو الطاقة المظلمة ، مع افتراض أن البروتونات مستقرة. سيثبت اكتشاف اضمحلال البروتون أن النموذج القياسي غير مكتمل وأنه ستكون هناك حاجة إلى فيزياء جديدة لشرح هذه الظاهرة. قد يؤدي هذا إلى تطوير نظرية أكثر شمولا لتوحيد جميع القوى والجسيمات الأساسية.
على الرغم من الدوافع النظرية القوية ، لم يلاحظ بعد اضمحلال البروتونات. تتطلب تجارب الكشف عن تحلل البروتون بناء كاشفات ضخمة من أجل التقاط الأحداث النادرة التي تنبأت بها GUTs. على سبيل المثال ، مسبار Super Kamiokande الياباني ، الذي يستخدم خزان مياه ضخم ويضع كاشفات حساسة حوله لمراقبة تسوس البروتونات. على الرغم من عدم العثور على دليل يدعم تحلل البروتون ، فقد تم تحديد عمر النصف الأدنى للبروتونات عند حوالي 34.0✖0 ^ {0} سنة.
يتمثل أحد التحديات في اكتشاف اضمحلال البروتون في التمييز بين أحداث الاضمحلال الحقيقية وضوضاء الخلفية. يمكن أن تنتج الأشعة الكونية والنشاط الإشعاعي الطبيعي وعوامل أخرى إشارات مشابهة لاضمحلال البروتون. لتقليل ضوضاء الخلفية وتحديدها ، تستخدم أجهزة الكشف المتقدمة مجموعة متنوعة من التقنيات ، مثل الموقع في أعماق الأرض ، وتدابير التدريع الفعالة ، وطرق تحليل البيانات المتطورة.
لتحسين فرصة اكتشاف تحلل البروتون ، تستخدم بعض التجارب مزيجا من أنواع مختلفة من المواد وطرق الكشف للجمع بين أجهزة الكشف المتعددة. يساعد هذا النهج على التحقق من صحة أحداث الاضمحلال المحتملة ويقلل من احتمالية الإيجابيات الخاطئة. على سبيل المثال ، يمكن أن يوفر الجمع بين كاشف تشيرنكوف المائي وكاشف الأرجون السائل بيانات تكميلية ، مما يحسن الحساسية العامة.