Forfalder protonen? Mens dette var en berømt forudsigelse af storslåede samlede teorier (Guts), der blev udviklet i 1970’erne og 1980’erne, har eksperimentelle udpeget det – eller rettere sagt, lagt nedre grænser for sin gennemsnitlige levetid på ca. 1034 år. Det er 20 størrelsesordrer større end universets alder.
Men to fysikere har spekuleret på: kunne levetiden være forskellige andre steder og andre gange? Kunne protonen have forfaldt hurtigere i fortiden? Kunne det forfalde hurtigere et andet sted i universet? De har genindført nogle fysikprocesser under forudsætning af, at protonen forfaldes og beregnet mulige levetid på omkring 1018 år. Det er kun fire størrelsesordrer ud over universets levetid. Deres arbejde blev for nylig offentliggjort i Fysisk gennemgang d.
“People had previously asked various questions of the type, ‘Are the fundamental physics parameters measured on the Earth the same elsewhere in the universe?'” said Peter Denton, a co-author at Brookhaven National Laboratory on Long Island, New York in the US “One case that hadn’t been investigated was the stability of the proton. Earth experiments show that the proton is incredibly stable, but those only apply here, in our part of the galaxy, Og nu, i løbet af de sidste flere årtier.
At udslette denne mulighed, Denton og hovedforfatter Hooman Davoudiasl, også på Brookhaven National Laboratory, overvejede muligheder, hvor varmen fra Proton Decay ville dukke op i udviklingen af Jordens Iron Core og i en neutronstjerne. I tarme kunne protonfald fortsætte med en af to kanaler: til enten en neutral pion og en positron eller en positiv pion og en neutrino. (Den eksperimentelle grænse for protonens levetid fra den første forfaldskanal er ca. 62 gange den anden kanal.)
Her overvejede forfatterne en forfaldskanal af en proton, der forfaldt til en positiv pion og en mørk fermion, “mørk”, der betyder mørkt stof. Selvfølgelig er mørkt stof, som fysikere mener skal eksistere, ikke fundet endnu. Men her hopper de foran den uundgåelige (meget sandsynligvis) opdagelse. Hvis Dark Matter Particle’s masse er mindre end protonmassen minus pionmassen, kan protonfaldet være meget hurtigere, end laboratorieeksperimenter antyder, såsom grænsen fra super-Kamiokande-neutrino-detektoren i Japan.
De overvejede først jordens solide jernkerne. Hvis protoner forfalder som ovenfor og producerer varme, hvilken levetid antydes af det faktum, at den indre kerne ikke nu er smeltet? Fordi den indre kerne ikke altid var solid – geologer mener, at det har været solidt i ca. 1 til 1,5 milliarder år; Andre estimater spænder fra 0,7 til så høje som 4,2 milliarder år. Forfatterne finder den varmeproduktion på cirka fire gange det fra den nuværende indre kerne, der udstråler ca. 1013 Watts som en sort krop på 6.200 K, ville smelte den solide bold. Da det ikke er smeltet, finder de, at proton -levetiden skal være større end 2 × 1018 år.
Når de kiggede efter anomal varmeproduktion, overvejede de en neutronstjerne. Den koldeste kendte Pulsar PSR J2144–3933 er kendt fra Hubble -rumteleskopet for at have en temperatur mindre end 42.000 K og er kendt for at være omkring 0,3 milliarder år gammel. (Alle pulsarer er neutronstjerner, men ikke alle neutronstjerner er pulsarer).
Hvis man antager en masse på ca. 1,4 solmasser, og at vide, at protoner er ca. 10% af en neutronstjerners baryoniske indhold, indeholder denne neutronstjerne ca. 2 × 1056 Protoner. At sammensætte deres beregninger, finder Davoudiasl og Denton, at proton -levetiden skal være større end 1,5 og gange 1018opmuntrende tæt på estimatet fra den indre kerne.
Begrænsninger på forfaldsprodukterne fra mørkt stof og begrænsninger fra den kosmiske mikrobølgebaggrund gav en anden levetid nedre grænse på 2 × 1017 år. De overvejede også adskillige “paleo detektor” -scenarier, således dem, der er skitseret af Baum et al: protoner, der forfalder til en antineutrino og en k+ (K er for Kaon, en tungere fætter til pionen.)
Dette eksperiment kunne ikke udføres på Jorden på grund af dets store atmosfæriske neutrino-inducerede baggrund, men det kan muligvis blive udført på mineralet olivin, der blev ekstraheret fra månen et par kilometer under overfladen. Denne måling ville give en begrænsning for det samlede antal protoner, der er forfaldt i de sidste milliarder år.
En anden begrænsning kommer fra at undersøge det meget lave forhold (2 × 10-18af 14C/12C i naturgas. Proton ville være en ekstra kilde til 14C, giver en nedre grænse på ca. 1019 år.
Davoudiasl sagde, at undersøgelse af protonfald langt fra jorden eller på meget tidligere tider “kunne realiseres, for eksempel, hvis en hypotetisk langtrækkende kraft kan påvirke massen af en ny partikel, som en proton kan forfaldne, hvilket gør protonens levetid meget kortere, når disse neddækninger er energisk tilladt.”
Der er en overflod af kilder til denne hypotetiserede kraft, som kan ændre sig i nærheden af solsystemet, når solen kredserer Mælkevejscentret hvert 230 millioner år, hvilket ville føre til en proton -levetid, der ville variere med rum og tid.