प्रोटॉन क्षय: Difference between revisions

{{short description|Hypothetical decay process of a nucleon (proton or neutron) into non-nucleons (anything else)}}[[File:Proton decay.svg|upright=1.6|right|thumb|जॉर्जी-ग्लाशो मॉडल में कणों के लिए [[कमजोर आइसोस्पिन]], [[कमजोर हाइपरचार्ज]] और रंग शुल्क का पैटर्न। यहाँ, एक प्रोटॉन, जिसमें दो अप क्वार्क और एक डाउन होता है, एक पिओन में क्षय होता है, जिसमें एक अप और एंटी-अप होता है, और एक पॉज़िट्रॉन, विद्युत आवेश वाले X बोसोन के माध्यम से -⁴/₃.]][[कण भौतिकी]] में, [[प्रोटॉन]] क्षय [[कण क्षय]] का एक [[परिकल्पना]] रूप है जिसमें प्रोटॉन हल्के उप-परमाणु कणों, जैसे कि एक तटस्थ पियॉन और पॉज़िट्रॉन में क्षय होता है।<ref>[[Ishfaq Ahmad]] (1969), "Radioactive decays by Protons. Myth or reality?", ''The Nucleus'', pp. 69–70</ref> प्रोटॉन क्षय परिकल्पना पहली बार 1967 में [[आंद्रेई सखारोव]] द्वारा तैयार की गई थी। महत्वपूर्ण प्रायोगिक प्रयासों के बावजूद, प्रोटॉन क्षय कभी नहीं देखा गया। यदि यह पॉज़िट्रॉन के माध्यम से क्षय होता है, तो प्रोटॉन का आधा जीवन कम से कम 1.67×1034 वर्ष तक विवश हो जाता है।<ref name="Bajc">{{cite journal |arxiv=1603.03568 |bibcode= 2016NuPhB.910....1B|doi=10.1016/j.nuclphysb.2016.06.017|title= Threshold corrections to dimension-six proton decay operators in non-minimal SUSY SU(5) GUTs|journal= Nuclear Physics B|volume= 910|page= 1|year= 2016|last1= Bajc|first1= Borut|last2= Hisano|first2= Junji|last3= Kuwahara|first3= Takumi|last4= Omura|first4= Yuji|s2cid= 119212168}}</ref>

कुछ परे-मानक मॉडल [[ग्रैंड यूनिफाइड थ्योरी]] (जीयूटीs) बेरोन संख्या समरूपता को स्पष्ट रूप से तोड़ते हैं, प्रोटॉन को [[हिग्स कण]], चुंबकीय मोनोपोल या 10 के आधे जीवन के साथ नए [[एक्स बोसोन]] के माध्यम से क्षय करने की अनुमति देते हैं।{{sup|31}} से 10{{sup|36}} साल। तुलना के लिए, ब्रह्मांड की आयु | ब्रह्मांड लगभग 10 है{{sup|10}} वर्षों पुराना।<ref>{{Cite web|last=Francis|first=Matthew R.|title=Do protons decay?|url=https://www.symmetrymagazine.org/article/do-protons-decay|access-date=2020-11-12|website=symmetry magazine|language=en}}</ref> आज तक, जीयूटी (जैसे प्रोटॉन क्षय या चुंबकीय मोनोपोल के अस्तित्व) द्वारा भविष्यवाणी की गई नई घटनाओं को देखने के सभी प्रयास विफल रहे हैं।

[[क्वांटम टनलिंग]] प्रोटॉन क्षय के तंत्रों में से एक हो सकता है।{{cite journal |title=विकृत नाभिक में एकल-कण मेटास्टेबल राज्यों को पार करने से प्रोटॉन क्षय के समय-निर्भर गुण|year=1998 |doi=10.1103/PhysRevC.58.3280 |arxiv=nucl-th/9809006 |last1=Talou |first1=P. |last2=Carjan |first2=N. |last3=Strottman |first3=D. |journal=Physical Review C |volume=58 |issue=6 |pages=3280–3285 |bibcode=1998PhRvC..58.3280T |s2cid=119075457 }}</ref><ref name="urladsabs.harvard.edu">{{cite web |url=http://adsabs.harvard.edu/pdf/1982ApJ...252....1D |title=adsabs.harvard.edu |format= |accessdate=}}</ref><ref name="urlQuantum Tunnelling to the Origin and Evolution of Life">{{cite journal |title=Quantum Tunnelling to the Origin and Evolution of Life |year=2013 |pmc=3768233 |last1=Trixler |first1=F. |journal=Current Organic Chemistry |volume=17 |issue=16 |pages=1758–1770 |doi=10.2174/13852728113179990083 |pmid=24039543 }}</ref>

[[क्वांटम गुरुत्वाकर्षण]]<ref name= url[0803.0749] क्वांटम ग्रेविटी में न्यूनतम लंबाई के खतरनाक निहितार्थ>{{cite journal |title=क्वांटम गुरुत्व में न्यूनतम लंबाई के खतरनाक प्रभाव|year=2008 |doi=10.1088/0264-9381/25/19/195013 |arxiv=0803.0749 |last1=Bambi |first1=Cosimo |last2=Freese |first2=Katherine |journal=Classical and Quantum Gravity |volume=25 |issue=19 |page=195013 |bibcode=2008CQGra..25s5013B |hdl=2027.42/64158 |s2cid=2040645 }}</ref> ([[आभासी ब्लैक होल]] और [[हॉकिंग विकिरण]] के माध्यम से) उपरोक्त जीयूटी स्केल क्षय सीमा से परे परिमाण या जीवन काल पर प्रोटॉन क्षय का एक स्थान प्रदान कर सकता है, साथ ही [[सुपरसिमेट्री]] में अतिरिक्त आयाम भी प्रदान कर सकता है।<ref name= urlProton Decay, Black छिद्र, और बड़े अतिरिक्त आयाम - NASA/ADS >{{cite journal |url=https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2001IJMPA..16.2399A/abstract |title=प्रोटॉन क्षय, ब्लैक होल, और बड़े अतिरिक्त आयाम - NASA/ADS|format= |journal= International Journal of Modern Physics A|year=2001 |volume=16 |pages=2399–2410 |doi=10.1142/S0217751X0100369X |bibcode=2001IJMPA..16.2399A |accessdate=|last1=Adams |first1=Fred C. |last2=Kane |first2=Gordon L. |last3=Mbonye |first3=Manasse |last4=Perry |first4=Malcolm J. |issue=13 |arxiv=hep-ph/0009154 |s2cid=14989175 }}</ref><ref name= url[1903.02940] प्रोटॉन क्षय और स्पेसटाइम की क्वांटम संरचना>{{cite journal |title=प्रोटॉन क्षय और अंतरिक्ष-समय की क्वांटम संरचना|year=2019 |doi=10.1139/cjp-2018-0423 |arxiv=1903.02940 |last1=Al-Modlej |first1=Abeer |last2=Alsaleh |first2=Salwa |last3=Alshal |first3=Hassan |last4=Ali |first4=Ahmed Farag |journal=Canadian Journal of Physics |volume=97 |issue=12 |pages=1317–1322 |bibcode=2019CaJPh..97.1317A |hdl=1807/96892 |s2cid=119507878 }}</ref><ref>{{cite arXiv |title=The black hole information paradox |eprint=hep-th/9508151 |author1-link=Steven Giddings |last1=Giddings |first1=Steven B. |year=1995 }}</ref><ref>{{cite journal |url=https://www.researchgate.net/publication/315696398 |doi=10.1209/0295-5075/118/50008|title=Virtual black holes from the generalized uncertainty principle and proton decay|year=2017|last1=Alsaleh|first1=Salwa|last2=Al-Modlej|first2=Abeer|last3=Farag Ali|first3=Ahmed|journal=Europhysics Letters|volume=118|issue=5|page=50008|arxiv=1703.10038|bibcode=2017EL....11850008A|s2cid=119369813}}</ref>

प्रोटॉन क्षय के अतिरिक्त बैरोन उल्लंघन के सैद्धांतिक तरीके हैं जिनमें 1 के अतिरिक्त बैरोन और/या लेप्टान संख्या के परिवर्तन के साथ बातचीत सम्मलित है (जैसा कि प्रोटॉन क्षय में आवश्यक है)। इनमें 2, 3, या अन्य नंबरों के बैरियन नंबर और/या लिप्टन नंबर का उल्लंघन, या B − L|B − L उल्लंघन सम्मलित हैं। इस प्रकार के उदाहरणों में उच्च ऊर्जा और तापमान पर न्यूट्रॉन दोलन और इलेक्ट्रोवीक स्पैलेरॉन चिरल विसंगति सम्मलित हैं, जो प्रोटॉन के एंटीलेप्टोन में टकराव के बीच परिणाम कर सकते हैं।<ref>{{Cite journal|doi = 10.1103/PhysRevD.92.045005|title = Bloch wave function for the periodic sphaleron potential and unsuppressed baryon and lepton number violating processes|year = 2015|last1 = Tye|first1 = S.-H. Henry|last2 = Wong|first2 = Sam S. C.|journal = Physical Review D|volume = 92|issue = 4|page = 045005|arxiv = 1505.03690|bibcode = 2015PhRvD..92d5005T|s2cid = 73528684}}</ref> या इसके विपरीत ([[लेप्टोजेनेसिस (भौतिकी)]] और गैर-जीयूटी बेरियोजेनेसिस में एक महत्वपूर्ण कारक)।

{{Main| Baryogenesis}}

{{unsolved|physics|Do protons [[Radioactive decay|decay]]? If so, then what is the [[half-life]]? Can [[nuclear binding energy]] affect this?}}

आधुनिक भौतिकी की उत्कृष्ट समस्याओं में से एक [[ब्रह्मांड]] में एंटी[[मामला|स्थिति]] पर पदार्थ की प्रबलता है। ब्रह्मांड, एक पूरे के रूप में, एक गैर-शून्य सकारात्मक बेरोन संख्या घनत्व प्रतीत होता है - अर्थात, पदार्थ उपलब्ध है। चूँकि भौतिक ब्रह्माण्ड विज्ञान में यह माना जाता है कि हम जो कण देखते हैं वे उसी भौतिकी का उपयोग करके बनाए गए थे जिसे हम आज मापते हैं, सामान्य रूप से यह अपेक्षा की जाती है कि समग्र बेरोन संख्या शून्य होनी चाहिए, क्योंकि पदार्थ और [[antimatter]] को समान मात्रा में बनाया जाना चाहिए था। इसने समरूपता को तोड़ने के लिए कई प्रस्तावित तंत्रों को जन्म दिया है जो कुछ शर्तों के अनुसार सामान्य पदार्थ (एंटीमैटर के विपरीत) के निर्माण का पक्ष लेते हैं। प्रत्येक में 1 के क्रम में यह असंतुलन असाधारण रूप से छोटा होता {{val|10000000000}} (10¹⁰) बिग बैंग के बाद एक सेकंड का एक छोटा सा अंश, लेकिन अधिकांश पदार्थ और एंटीमैटर के नष्ट हो जाने के बाद, जो कुछ बचा था वह वर्तमान ब्रह्मांड में सभी बैरोनिक पदार्थ के साथ-साथ बहुत अधिक संख्या में [[बोसॉन]] था। .

अधिकांश भव्य एकीकृत सिद्धांत बेरोन संख्या समरूपता को स्पष्ट रूप से तोड़ते हैं, जो इस विसंगति के लिए जिम्मेदार होगा, सामान्यतः बहुत बड़े एक्स बोसोन द्वारा मध्यस्थता वाली प्रतिक्रियाओं को आमंत्रित करता है। {{nowrap|({{SubatomicParticle|X boson}})}} या बड़े पैमाने पर [[हिग्स बॉसन]] ({{SubatomicParticle|Higgs boson}}). जिस दर पर ये घटनाएँ घटित होती हैं, वह बड़े पैमाने पर मध्यवर्ती के द्रव्यमान द्वारा नियंत्रित होती है {{SubatomicParticle|X boson}} या {{SubatomicParticle|Higgs boson}} कण, इसलिए यह मानते हुए कि ये प्रतिक्रियाएँ आज देखी जाने वाली अधिकांश बेरोन संख्या के लिए जिम्मेदार हैं, एक अधिकतम द्रव्यमान की गणना की जा सकती है जिसके ऊपर आज पदार्थ की उपस्थिति की व्याख्या करने के लिए दर बहुत धीमी होगी। ये अनुमान भविष्यवाणी करते हैं कि बड़ी मात्रा में सामग्री कभी-कभी एक सहज प्रोटॉन क्षय प्रदर्शित करेगी।

प्रोटॉन क्षय 1970 के दशक में प्रस्तावित विभिन्न भव्य एकीकृत सिद्धांतों (जीयूटीs) की प्रमुख भविष्यवाणियों में से एक है, एक अन्य प्रमुख [[चुंबकीय मोनोपोल]] का अस्तित्व है। 1980 के दशक की शुरुआत से ही दोनों अवधारणाएं प्रमुख प्रायोगिक भौतिकी प्रयासों का केंद्र रही हैं। आज तक, इन घटनाओं को देखने के सभी प्रयास विफल रहे हैं; चूंकि, ये प्रयोग प्रोटॉन के आधे जीवन पर निचली सीमा स्थापित करने में सक्षम हैं। वर्तमान में, सबसे त्रुटिहीन परिणाम जापान में [[सुपर Kamiokande]] वाटर [[चेरेंकोव विकिरण]] डिटेक्टर से आते हैं: 2015 के एक विश्लेषण ने प्रोटॉन के आधे जीवन पर एक निचली सीमा रखी {{val|1.67|e=34}} पॉज़िट्रॉन क्षय के माध्यम से वर्ष,<ref name="Bajc" />और इसी प्रकार, 2012 के एक विश्लेषण ने प्रोटॉन के आधे जीवन के लिए एक निचली सीमा दी {{val|1.08|e=34}} एंटीम्यूऑन क्षय के माध्यम से वर्ष,<ref name="Nishino">

  }}</ref> सुपरसिमेट्री (एसयूएसवाई) के करीब 10 की भविष्यवाणी³⁴–10³⁶ वर्ष।<ref>[http://www-sk.icrr.u-tokyo.ac.jp/whatsnew/new-20091125-e.html "Proton lifetime is longer than 10³⁴ years"]. ''www-sk.icrr.u-tokyo.ac.jp''. 25 November 2009.</ref> एक उन्नत संस्करण, [[हाइपर-कामीकांडे]], शायद सुपर-कामीकांडे की तुलना में 5-10 गुना बेहतर संवेदनशीलता होगी।<ref name="Bajc" />

 

 

प्रोटॉन क्षय के लिए अवलोकन प्रमाण की कमी के बावजूद, कुछ [[भव्य एकीकरण सिद्धांत]], जैसे एसयू (5) जॉर्जी-ग्लाशो मॉडल और एसओ (10), उनके सुपरसिमेट्रिक रूपों के साथ, इसकी आवश्यकता होती है। ऐसे सिद्धांतों के अनुसार, प्रोटॉन का आधा जीवन लगभग होता है {{10^|31}}~{{10^|36}}वर्षों और एक पॉज़िट्रॉन और एक तटस्थ पिओन में क्षय होता है जो स्वयं तुरंत दो [[गामा विकिरण]] [[फोटोन]] में क्षय हो जाता है:

| {{SubatomicParticle|Proton+}} &nbsp; || → &nbsp; || {{SubatomicParticle|link=yes|Positron}} || &nbsp; + || {{math| {{SubatomicParticle|link=yes|Pion0}} }} ||  

|  ||  ||  ||  || &emsp; └→ &nbsp; || {{math| 2{{SubatomicParticle|link=yes|Gamma}} }}

चूंकि पॉज़िट्रॉन एक [[लेपटोन]] है इसलिए यह क्षय संरक्षित रहता है {{nobr| {{mvar|[[B &minus; L]]}} }} संख्या, जो कि अधिकांश <abbr title= Grand Unified Theory>जीयूटी</abbr> में संरक्षित है।

अतिरिक्त क्षय मोड उपलब्ध हैं (उदाहरण: {{nobr| {{SubatomicParticle|Proton+}} → {{math| {{SubatomicParticle|link=yes|Muon+}} }} + {{math|{{SubatomicParticle|link=yes|Pion0}} }} }}),<ref name="Nishino" />दोनों सीधे और जब <abbr शीर्षक = ग्रैंड यूनिफाइड थ्योरी> जीयूटी </abbr>-अनुमानित चुंबकीय मोनोपोल के साथ बातचीत के माध्यम से उत्प्रेरित होते हैं।<ref>

}}</ref> चूंकि इस प्रक्रिया को प्रायोगिक रूप से नहीं देखा गया है, यह मेगाटन पैमाने पर भविष्य में नियोजित बहुत बड़े पैमाने के डिटेक्टरों के लिए प्रायोगिक परीक्षण क्षमता के दायरे में है। इस प्रकार के डिटेक्टरों में हाइपर-कमियोकांडे सम्मलित हैं।

प्रारंभिक भव्य एकीकरण सिद्धांत (जीयूटीs) जैसे कि जॉर्जी-ग्लाशो मॉडल, जो प्रोटॉन क्षय का सुझाव देने वाले पहले सुसंगत सिद्धांत थे, ने माना कि प्रोटॉन का आधा जीवन कम से कम होगा {{10^|31}}साल। जैसा कि 1990 के दशक में और प्रयोग और गणनाएँ की गईं, यह स्पष्ट हो गया कि प्रोटॉन का आधा जीवन नीचे नहीं हो सकता {{10^|32}}साल। उस अवधि की कई पुस्तकें इस आंकड़े को बायोरोनिक पदार्थ के संभावित क्षय समय के लिए संदर्भित करती हैं। हाल के निष्कर्षों ने न्यूनतम प्रोटॉन आधा जीवन को कम से कम धकेल दिया है {{10^|34}}~{{10^|35}}सरल जीयूटीs (न्यूनतम एसयू(5) / जॉर्जी-ग्लाशो सहित) और अधिकांश गैर-एसयूएसवाई मॉडल को खारिज करते हुए। प्रोटॉन जीवनकाल (यदि अस्थिर) पर अधिकतम ऊपरी सीमा की गणना की जाती है {{nobr| 6 × {{10^|39}} years,}} एसयूएसवाई मॉडल पर लागू होने वाली सीमा,<ref name=Nath-Perez-2007>

}}</ref> अधिकतम (न्यूनतम) गैर-एसयूएसवाई जीयूटीs के लिए {{nobr| 1.4 × {{10^|36}} years.}}<ref name=Nath-Perez-2007/>{{rp|style=ama|at=part&nbsp;5.6}}

चूंकि इस घटना को प्रोटॉन क्षय कहा जाता है, प्रभाव परमाणु नाभिक के अंदर बंधे [[न्यूट्रॉन]] में भी देखा जाएगा। मुक्त न्यूट्रॉन - जो एक परमाणु नाभिक के अंदर नहीं हैं - पहले से ही [[बीटा क्षय]] नामक प्रक्रिया में प्रोटॉन (और एक इलेक्ट्रॉन और एक एंटीन्यूट्रिनो) में क्षय के लिए जाने जाते हैं। मुक्त न्यूट्रॉन का आधा जीवन 10 मिनट का होता है ({{val|610.2|0.8|u=s}})<ref name="RPP">

</ref>

 

[[कमजोर अंतःक्रिया]] के कारण एक नाभिक के अंदर बंधे न्यूट्रॉन का आधा जीवन बहुत लंबा होता है - जाहिर तौर पर प्रोटॉन जितना बड़ा होता है।

! Theory class

! Proton lifetime (years)<ref>{{Cite journal |last=Bueno |first=Antonio |last2=Melgarejo |first2=Antonio J |last3=Navas |first3=Sergio |last4=Dai |first4=Zuxiang |last5=Ge |first5=Yuanyuan |last6=Laffranchi |first6=Marco |last7=Meregaglia |first7=Anselmo |last8=Rubbia |first8=André |date=2007-04-11 |title=Nucleon decay searches with large liquid Argon TPC detectors at shallow depths: atmospheric neutrinos and cosmogenic backgrounds |url=http://stacks.iop.org/1126-6708/2007/i=04/a=041?key=crossref.289d2df8e7c5228ed3c2136a08194b62 |journal=Journal of High Energy Physics |volume=2007 |issue=04 |pages=041–041 |doi=10.1088/1126-6708/2007/04/041 |issn=1029-8479|arxiv=hep-ph/0701101 }}</ref>

! Ruled out experimentally?

| Minimal एसयू(5) ([[Georgi–Glashow model|Georgi–Glashow]])

| Minimal [[Supersymmetry|एसयूएसवाई]] एसयू(5)

| [[Supergravity|एसयूGRA]] एसयू(5)

| एसयूएसवाई SO(10)

| एसयूएसवाई एसयू(5) ([[Minimal Supersymmetric Standard Model|MSSM]])

| एसयूएसवाई एसयू(5) – 5 dimensions

| एसयूएसवाई SO(10) MSSM G(224)

| Minimal (Basic) SO(10) – Non-एसयूएसवाई

| < ~10³⁵ (maximum range)

| [[Flipped SU(5)|Flipped एसयू(5)]] (MSSM)

वैनिला एसयू(5) में प्रोटॉन के जीवनकाल का सहज अनुमान लगाया जा सकता है <math>\tau_p\sim\frac{M_X^4}{m_p^5}</math>.<ref>{{cite journal |last1=Chanowitz |first1=Michael S. |last2=Ellis |first2=John |last3=Gaillard |first3=Mary K. |title=The price of natural flavour conservation in neutral weak interactions |journal=Nuclear Physics B |date=3 October 1977 |volume=128 |issue=3 |pages=506–536 |doi=10.1016/0550-3213(77)90057-8 |issn=0550-3213|bibcode=1977NuPhB.128..506C |s2cid=121007369 |url=http://cds.cern.ch/record/878518 }}</ref> पुनर्एकीकरण के पैमाने के साथ सुपरसिमेट्रिक जीयूटीs {{math|µ ~}} {{val|2e16|ul=GeV/c2}} लगभग 10 का जीवनकाल उपज³⁴ वर्ष, मोटे तौर पर वर्तमान प्रायोगिक निचली सीमा।