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{{QS-Physik|Unerledigt=2016}}<br />
'''Protonenzerfall''' ist der [[Hypothese|hypothetische]] [[Zerfallskanal|Zerfall]] eines freien [[Proton]]s in andere Teilchen.<br />
<br />
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 [[Erhaltungssatz|Erhaltungsgröße]] ist (von hypothetischen nichtlinearen Feldeffekten abgesehen, siehe [[Sphaleron]]). Derzeit existieren keine experimentellen Beobachtungen, die die Hypothese des Protonenzerfalls unterstützen.<br />
<br />
== Zerfall ==<br />
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:<br />
<br />
: p → e<sup>+</sup> + π<sup>0</sup><br />
<br />
: π<sup>0</sup> → 2γ<br />
<br />
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.<br />
<br />
== Quarkmodell ==<br />
In einer vereinfachten Betrachtung (ohne die virtuellen [[Quark (Physik)|Quarks]] in p und π<sup>0</sup>) kann man sich den Zerfall eines Protons so vorstellen:<br />
<br />
Das Proton besteht aus den Quarkbestandteilen uud, und das neutrale Pion ist ein [[Quantenmechanik|quantenmechanischer]] [[Superposition (Physik)|Mischzustand]] aus d<span style="text-decoration:overline">d</span> und u<span style="text-decoration:overline">u</span>. Der Zerfall des Protons erfolgt nach der GUT über ein intermediäres hypothetisches [[Leptoquark|X- bzw. Y-Boson]] so:<ref>{{Literatur |Autor=Stephan Kreppner |Titel=Seminar: Protonzerfall |Verlag=Universität Erlangen |Datum=2003}}</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><br />
<br />
: uu → X → e<sup>+</sup> + <span style="text-decoration:overline">d</span><br />
mit dem „unbeteiligten“ Down-Quark ergibt sich:<br />
: uud → e<sup>+</sup> + d<span style="text-decoration:overline">d</span><br />
<br />
oder alternativ:<br />
<br />
: ud → <span style="text-decoration:overline">Y</span> → e<sup>+</sup> + <span style="text-decoration:overline">u</span><br />
mit dem „unbeteiligten“ Up-Quark ergibt sich:<br />
: uud → e<sup>+</sup> + u<span style="text-decoration:overline">u</span><br />
<br />
Das d<span style="text-decoration:overline">d</span> bzw. u<span style="text-decoration:overline">u</span> manifestiert sich in beiden Fällen als π<sup>0</sup>.<br />
<br />
== Forschung ==<br />
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 [[Teilchendetektor|Teilchendetektoren]] verwendet wie beim Nachweis von [[Neutrino|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><br />
<br />
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 (Physik)|Masse]] haben; sie wurden bisher nicht nachgewiesen.<br />
<br />
== Literatur ==<br />
* Fred Adams, Greg Laughlin: ''Die fünf Zeitalter des Universums. Eine Physik der Ewigkeit.'', dtv, ISBN 3-423-33086-4. 280 S. (2002)<br />
<br />
== Weblinks ==<br />
* [http://hep.bu.edu/~superk/pdk.html Protonenzerfall am Super-Kamiokande (englisch)]<br />
<br />
== Einzelnachweise ==<br />
<references /><br />
<br />
[[Kategorie:Teilchenphysik]]<br />
<br />
[[ja:陽子#陽子の崩壊]]</div>imported>Paschvo