Quelltext der Seite Protonenzerfall

{{QS-Physik|Unerledigt=2016}}

{{Dieser Artikel|behandelt den hypothetischen Zerfall des Protons. Zum Zerfall des Atomkerns unter Emission eines Protons siehe [[Protonenemission]].}}

'''Protonenzerfall''' ist der [[Hypothese|hypothetische]] [[Zerfallskanal|Zerfall]] eines freien [[Proton]]s in andere Teilchen.

Der Protonenzerfall wird von einigen Varianten der [[Große vereinheitlichte Theorie|Großen Vereinheitlichten Theorie (GUT)]] der [[Teilchenphysik]] vorhergesagt. Dort geht man davon aus, dass ein freies [[Proton]] nicht stabil ist, sondern lediglich eine sehr große [[Halbwertszeit]] hat. Demgegenüber wird das Proton im [[Standardmodell]] als stabil angesehen, da hier die [[Baryonenzahl]] eine Erhaltungsgröße ist (von hypothetischen nichtlinearen Feldeffekten abgesehen, siehe [[Sphaleron]]). Derzeit existieren keine experimentellen Beobachtungen, die die Hypothese des Protonenzerfalls unterstützen.

== Zerfall ==
Es sind zahlreiche Arten eines Zerfalls eines Protons denkbar. Ein mögliches Beispiel ist der durch ein hypothetisches [[X-Boson]] vermittelte Zerfall in ein [[Positron]] e<sup>+</sup> und ein neutrales [[Pion]] π<sup>0</sup>, das dann weiter auf bekanntem Weg zu Strahlung ([[Photon]]en γ) zerfällt:

: p → e<sup>+</sup> + π<sup>0</sup>

: π<sup>0</sup> → 2γ

Da das Positron ein Antilepton ist, bleibt hierbei die Differenz zwischen [[Baryonenzahl|Baryonen-]] und [[Leptonenzahl]] (B&nbsp;−&nbsp;L) erhalten. Die Baryonenzahl wird dagegen verletzt, da das Proton die Baryonenzahl 1 und das Pion und Elektron jeweils den Wert 0 besitzen. Dies ist eine Vorhersage der meisten Varianten der GUT.

== Quarkmodell ==
In einer vereinfachten Betrachtung (ohne die virtuellen Quarks in p und π<sup>0</sup>) kann man sich den Zerfall eines Protons so vorstellen:

Das Proton besteht aus den Quarkbestandteilen und das neutrale Pion ist ein quantenmechanischer [[Schrödingers Katze|Mischzustand]] aus d<span style="text-decoration:overline">d</span> und u<span style="text-decoration:overline">u</span>. Der Zerfall des Protons zu den beiden Komponenten des Pions erfolgt nach der GUT über ein intermediäres hypothetisches X- bzw. Y-Boson so:<ref>{{Literatur |Autor=Stephan Kreppner |Titel=Seminar: Protonzerfall |Verlag=Universität Erlangen |Datum=2003}}</ref><ref>{{Literatur |Autor=Holger Motz |Titel=Scheinseminar Astro- und Teilchenphysik WS 2003/2004: Physik jenseits des Standardmodells |Verlag=Universität Erlangen |Datum=2003 |Online=[http://www.ecap.physik.uni-erlangen.de/~katz/ws03/atp/talks/hm/HM.pdf PDF]}} {{Toter Link |url=http://www.ecap.physik.uni-erlangen.de/~katz/ws03/atp/talks/hm/HM.pdf |date=2018-12 |archivebot=2018-12-01 08:08:06 InternetArchiveBot}}</ref><ref>{{Literatur |Autor=Girtler |Titel=Seminar Astro-Teilchenphysik: Protonenzerfall |Verlag=Universität Innsbruck |Datum=2003 |Online=[http://physik.uibk.ac.at/hephy/lectures/seminar/2002ws/7_Protonzerfall.pdf PDF]}}</ref>

: uu → X → e<sup>+</sup> + <span style="text-decoration:overline">d</span>
mit dem 'unbeteiligten' Down-Quark ergibt sich:
: uud → e<sup>+</sup> + d<span style="text-decoration:overline">d</span>

bzw. für die andere Komponente des π<sup>0</sup>:

: ud → <span style="text-decoration:overline">Y</span> → e<sup>+</sup> + <span style="text-decoration:overline">u</span>
mit dem 'unbeteiligten' Up-Quark ergibt sich:
: uud → e<sup>+</sup> + u<span style="text-decoration:overline">u</span>

== Forschung ==
Trotz intensiver Suche ist bis heute kein Zerfall eines Protons beobachtet worden. Die Theorien sagen eine Halbwertszeit von 10<sup>31</sup> bis 10<sup>36</sup> Jahren voraus. Experimente am [[Super-Kamiokande]]-Detektor in Japan deuten (Stand 2017) auf eine untere Schranke von mindestens 1,6·10<sup>34</sup> Jahren hin.<ref>M. Miura u.&nbsp;a. (Super-Kamiokande), Phys. Rev. D, Band 95, 2017, S.  012004, [https://arxiv.org/abs/1610.03597 Arxiv]</ref> Zur Detektion werden ähnliche Teilchendetektoren verwendet wie beim Nachweis von Neutrinos. Durch die Experimente konnten schon einige GUT-Kandidaten ausgeschlossen werden, die minimale SU(5)-Theorie schon Mitte der 1990er Jahre.<ref>[https://www.quantamagazine.org/no-proton-decay-means-grand-unification-must-wait-20161215/ Natalie Wolchover, Grand Unification Dream Kept at Bay], Quanta Magazine, 15. Dezember 2016</ref>

Wie [[Waleri Anatoljewitsch Rubakow|Rubakow]] 1981 entdeckte, könnten auch [[Magnetischer Monopol|magnetische Monopole]] – falls sie existieren – durch [[Magnetischer Monopol#Katalyse des Protonenzerfalls|Katalyse]] den Protonenzerfall bewirken. Solche magnetischen Monopole müssen (den sie vorhersagenden Theorien zufolge) eine große Masse haben; sie wurden bisher nicht nachgewiesen.

== Literatur ==
* Fred Adams, Greg Laughlin: ''Die fünf Zeitalter des Universums. Eine Physik der Ewigkeit.'', dtv, ISBN 3-423-33086-4. 280 S. (2002)

== Weblinks ==
[http://hep.bu.edu/~superk/pdk.html Protonenzerfall am Super-Kamiokande (englisch)]

== Einzelnachweise ==
<references />

[[Kategorie:Teilchenphysik]]

[[ja:陽子#陽子の崩壊]]