Protonenzerfall

Dieser Artikel behandelt den hypothetischen Zerfall des Protons. Zum Zerfall des Atomkerns unter Emission eines Protons siehe Protonenemission.

Der Protonenzerfall beschreibt den hypothetischen Zerfall eines freien Protons in andere Elementarteilchen.

Der Protonenzerfall wird von einigen Varianten der 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 sind Protonen im Standardmodell stabil, da hier die Baryonenzahl eine Erhaltungsgröße ist. Derzeit existieren keine experimentellen Beobachtungen, die die Hypothese des Protonenzerfalls unterstützen.

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⁺ und ein neutrales Pion π⁰, das dann weiter auf bekanntem Weg zu Strahlung (Photonen γ) zerfällt:

p → e⁺ + π⁰

π⁰ → 2γ

Da das Positron ein Antilepton ist, bleibt hierbei die Differenz zwischen Baryonen- und Leptonenzahl (B − L) erhalten. Dies ist eine Vorhersage der meisten Varianten der GUT.

Quarkmodell

In einer vereinfachten Betrachtung (ohne die virtuellen Quarks im p und π⁰) kann man sich den Zerfall eines Protons so vorstellen:

Das Proton besteht aus den Quarkbestandteilen uud, das neutrale Pion ist ein quantenmechanischer Mischzustand aus dd und uu. Der Zerfall des Protons zu den beiden Komponenten des Pions erfolgt nun im Rahmen der GUT über ein intermediäres hypothetisches X- bzw. Y-Boson so:^[1][2][3]

uu → X → e⁺ + d

mit dem 'unbeteiligten' Down-Quark ergibt sich:

uud → e⁺ + dd

bzw. für die andere Komponente des π⁰:

ud → Y → e⁺ + u

mit dem 'unbeteiligten' Up-Quark ergibt sich:

uud → e⁺ + uu

Forschung

Trotz intensiver Suche ist bis heute kein Zerfall eines Protons beobachtet worden. Es wird eine Halbwertzeit von 10³¹ bis 10³⁶ Jahren von den Theorien vorhergesagt.

Experimente am Super-Kamiokande Detektor in Japan deuten darauf hin, dass eine Halbwertzeit von mehr als 10³⁵ Jahren vorliegt. Die Beobachtung von Neutrinooszillation ist ein Hinweis darauf, dass ein Protonenzerfall prinzipiell beobachtbar wäre.

Wie Rubakow 1981 entdeckte, können möglicherweise auch magnetische Monopole durch Katalyse zum Protonenzerfall beitragen. Solche magnetischen Monopole müssen (den sie vorhersagenden Theorien zufolge) eine große Masse haben; sie wurden bisher nicht nachgewiesen.

Ein Zerfall nach demselben Mechanismus wird auch für Neutronen vorhergesagt, die im Atomkern gebunden sind. (Freie Neutronen haben eine mittlere Lebensdauer von etwa 885 Sekunden.)

Literatur

• Fred Adams, Greg Laughlin: Die fünf Zeitalter des Universums. Eine Physik der Ewigkeit., dtv, ISBN 3-423-33086-4.

Einzelnachweise