Proton-Zerfall

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. Es sind zahlreiche Arten eines solchen im Standardmodell verbotenen Zerfalls 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 B-L erhalten. Dies ist eine Vorhersage der meisten Varianten der GUT.

Protonenzerfall im Quarkmodell

In einer vereinfachten Betrachtung (ohne die virtuellen Quarks im p und π⁰) kann man sich den Protonenzerfall 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

Stand der Forschung

Trotz intensiver Suche ist bis heute kein Protonenzerfall 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 > 10³⁵ Jahren vorliegt. Die Beobachtung von Neutrinooszillation ist ein Hinweis darauf, dass 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.)

Quellen und Fußnoten

1. ↑ Stephan Kreppner: Seminar: Protonzerfall. Universität Erlangen, 2003 ([1]). 
2. ↑ Holger Motz: Scheinseminar Astro- und Teilchenphysik WS 2003/2004: Physik jenseits des Standardmodells. Universität Erlangen, 2003 ([2]). 
3. ↑ Girtler: Seminar Astro-Teilchenphysik: Protonenzerfall. Universität Innsbruck, 2003 ([3]). 

Literatur

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