양성자 붕괴

3. 이론적 근거

양성자 붕괴는 조자이-글래쇼 모형이나 SO(10) 모형과 같은 여러 대통일 이론에서 필수적인 가정으로 등장한다.^[15] 이러한 이론들에 따르면 양성자는 매우 긴 반감기를 가지며, 양전자와 중성 파이온으로 붕괴한다. 중성 파이온은 곧바로 두 개의 감마선 광자로 붕괴한다.^[15]

이 붕괴 과정에서 양전자는 렙톤의 반입자이므로, 대부분의 대통일 이론에서 보존되는 B-L수를 보존한다.

양성자는 자기 홀극의 촉매 작용을 통해서도 붕괴할 수 있다.^[15] 예를 들어 p⁺ → μ⁺ + π⁰ 와 같은 추가적인 붕괴 과정이 가능하다.^[22] 이러한 과정은 아직 실험적으로 관측되지 않았지만, 하이퍼 카미오칸데와 같은 대규모 검출기에서 실험이 가능하다.

초기 대통일 이론에서는 양성자의 반감기를 10³¹년 정도로 예측했지만, 1990년대 이후 연구 결과 양성자의 반감기는 10³²년을 넘을 수 없다는 것이 밝혀졌다. 최근 연구에서는 최소 반감기를 10³⁴~10³⁵년으로 추정하고 있으며, 이에 따라 일부 대통일 이론은 실험적으로 배제되었다. SUSY 모형에 적용되는 양성자 수명의 최대 상한은 6 × 10³⁹년이며,^[16] (최소) 비-SUSY GUT의 최대치는 1.4 × 10³⁶년이다.^[16]

4. 실험적 증거

양성자 붕괴는 자기 홀극과 함께 대통일 이론에서 예측되었지만, 아직 실험적으로 관측되지 않았다. 1980년대 초반부터 이러한 현상을 발견하려는 시도는 모두 실패했다.

2012년 일본의 슈퍼 카미오칸데 물 체렌코프 효과 검출기 실험에서 수 년간 관찰했음에도 양성자 붕괴가 관측되지 않았다. 양성자의 반감기는 90%의 신뢰도로 뮤온으로의 붕괴에 대해서는 6.6×10³³년 이상이며 양전자로의 붕괴에 대해서는 8.2×10³³년 이상이라고 계산됐다.^[22] 이후, 잠정적인 연구 결과에서는 반감기의 하계가 1.29×10³⁴년으로 추정하고 있다.^[23]

일본의 슈퍼 카미오칸데 실험 결과, 양성자의 반감기는 양전자 붕괴의 경우 년, 반뮤온 붕괴의 경우 년 이상이라는 하한값이 제시되었다.^[14] 이는 초중력(SUSY) 예측값인 10³⁴–10³⁶ 년에 가깝다. 현재 건설 중인 하이퍼 카미오칸데는 슈퍼 카미오칸데보다 5~10배 더 높은 감도를 가질 것으로 예상되어, 양성자 붕괴 관측에 대한 기대를 높이고 있다.

5. 붕괴 연산자

양성자 붕괴는 여러 차원의 연산자를 통해 설명될 수 있다.

5. 1. 6차원 붕괴 연산자

5. 2. 5차원 붕괴 연산자

5. 3. 4차원 붕괴 연산자

6. 양성자 수명 예측

조자이-글래쇼 모형과 같은 초기 대통일 이론(GUT)에서 양성자의 반감기는 최소 10³¹년이라고 예측했다. 그러나 1990년대의 추가적인 계산 및 실험을 통해 양성자의 반감기가 10³²년 미만이라는 것이 밝혀졌다.

다양한 대통일 이론 모델에 따른 양성자 수명 예측값은 다음과 같다.

바닐라 SU(5)에서 양성자의 수명은 대략 $\backslash tau\_p\backslash sim\; M\_X^4/m\_p^5$로 추정할 수 있다. 재통합 규모가 정도인 초대칭 GUT는 약 의 수명을 가지는데, 이는 현재 실험적 하한선과 거의 일치한다.

참조

_[1] 간행물 Radioactive decays by Protons. Myth or reality? 1969
_[2] 논문 Threshold corrections to dimension-six proton decay operators in non-minimal SUSY SU(5) GUTs
_[3] 웹사이트 Do protons decay? https://www.symmetry[...] 2015-09-22
_[4] 논문 Time-dependent properties of proton decay from crossing single-particle metastable states in deformed nuclei
_[5] 논문 Effects of proton decay on the cosmological future 1982-01
_[6] 논문 Quantum Tunnelling to the Origin and Evolution of Life
_[7] 논문 Dangerous implications of a minimum length in quantum gravity
_[8] 논문 Proton Decay, Black Holes, and Large Extra Dimensions - NASA/ADS https://ui.adsabs.ha[...]
_[9] 논문 Proton decay and the quantum structure of space–time
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_[18] 논문 Nucleon decay searches with large liquid Argon TPC detectors at shallow depths: atmospheric neutrinos and cosmogenic backgrounds http://stacks.iop.or[...] 2007-04-11
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_[20] 서적 Radioactive decays by Protons. Myth or reality? The Nucleus 1969
_[21] 저널 Evidence for an anomalous like-sign dimuon charge asymmetry
_[22] 저널 Search for Proton Decay via p⁺ → e⁺ π⁰ and p⁺ → μ⁺ π⁰ in a Large Water Cherenkov Detector
_[23] 웹인용 보관된 사본 http://www-sk.icrr.u[...] 2014-03-30
_[24] 저널 Searches for Proton Decay and Superheavy Magnetic Monopoles http://www.ias.ac.in[...]
_[25] 웹사이트 Hyper-Kamiokande design http://www-sk.icrr.u[...] 2010-12-15
_[26] 저널 Review of Particle Physics – N Baryons http://pdg.lbl.gov/2[...]