• Começa com um estrondo

Pergunte a Ethan: O próton é estável ou instável?

Se esperássemos o suficiente, os próprios prótons decairiam? A estabilidade futura distante do Universo depende disso.

Principais conclusões

• Uma das observações fundamentalmente mais interessantes é a estabilidade do próton, que deve viver por pelo menos 10^34 anos, ou um septilhão de vezes mais que a idade atual do Universo.
• Mas o Modelo Padrão não proíbe o próton de decair, e muitas Teorias da Grande Unificação prevêem uma vida útil do próton que é pouco maior do que o limite observado.
• Existem muitas maneiras de restringir o tempo de vida do próton, mas é realmente, em um nível fundamental, estável ou instável? A resposta tem implicações severas para todo o nosso Universo.

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Existem certas coisas no Universo que, se você deixá-las sozinhas por tempo suficiente, acabarão por decair. Outras coisas, não importa quanto tempo esperemos, nunca foram observadas a decair. Isso não significa necessariamente que eles sejam realmente estáveis, apenas que, se forem instáveis, viverão mais do que um certo limite mensurável. Enquanto um grande número de partículas - tanto fundamentais quanto compostas - são conhecidas por serem instáveis, com alguns núcleos atômicos sendo instáveis, mas com tempos de vida médios muito superiores à idade atual do Universo , algumas partículas parecem ser realmente estáveis ​​para sempre, tanto do ponto de vista observacional quanto teórico.

Mas eles são verdadeiramente, perfeitamente estáveis, destinados a nunca decair, mesmo quando o relógio cósmico avança por toda a eternidade? Ou, se pudéssemos esperar o tempo suficiente, eventualmente veríamos algumas ou mesmo todas essas partículas eventualmente decaindo? E o que dizer da partícula composta estável mais simples de todas, aquela que está no coração de cada átomo: o próton? Isso é o que Apoiador do Patreon Kilioopu quer saber, simplesmente indagando,

“Eu estaria interessado em uma discussão sobre estabilidade de prótons.”

Então, e o próton? De todas as partículas do Universo, o próton é uma das mais abundantes e importantes, e tem uma das mais longas vidas verificadas experimentalmente de todas. Mas pode ser fundamentalmente instável em escalas de tempo suficientemente longas, com consequências cósmicas para quase tudo o que existe.

Esta ilustração mostra 5 dos principais tipos de decaimentos radioativos: decaimento alfa, onde um núcleo emite uma partícula alfa (2 prótons e 2 nêutrons), decaimento beta, onde um núcleo emite um elétron, decaimento gama, onde um núcleo emite um fóton, emissão de pósitrons (também conhecida como decaimento beta-plus), onde um núcleo emite um pósitron, e captura de elétrons (também conhecida como decaimento beta inverso), onde um núcleo absorve um elétron. Esses decaimentos podem alterar o número atômico e/ou de massa do núcleo, mas certas leis gerais de conservação, como energia, momento e conservação de carga, ainda devem ser obedecidas.

Na verdade, é uma ideia relativamente nova que qualquer forma de matéria seria instável: algo que surgiu apenas como uma explicação necessária para a radioatividade, descoberta no final do século XIX. Materiais que continham certos elementos — rádio, radônio, urânio, etc. — pareciam gerar espontaneamente sua própria energia, como se fossem movidos por algum tipo de motor interno inerente à sua própria natureza. Agora chegamos a um acordo sobre como isso ocorre, pois algumas configurações do núcleo atômico podem, sem violar nenhuma lei de conservação, fazer a transição para um estado mais estável e de baixa energia, por meio da emissão ou captura de partículas, ou simplesmente por tunelamento quântico para esse estado mais estável.

É verdade que grande parte da matéria que conhecemos hoje acabará por decair, incluindo:

• cada elemento mais pesado que o chumbo na tabela periódica,
• cada partícula que contém um quark estranho, charm, bottom ou top,
• o múon e a partícula tau,
• e até o nêutron.

É o suficiente para nos fazer pensar se a partícula composta “estável” mais leve que conhecemos — o próton — é realmente estável, afinal, ou se acabaria decaindo se esperássemos o suficiente.

O Modelo Padrão da física de partículas é responsável por três das quatro forças (exceto a gravidade), o conjunto completo de partículas descobertas e todas as suas interações. Se existem partículas e/ou interações adicionais que podem ser descobertas com colisores que podemos construir na Terra é um assunto discutível, mas ainda há muitos quebra-cabeças que permanecem sem resposta, como a ausência observada de violação do número bariônico, com o Modelo Padrão em sua Forma Atual.

Por causa das várias leis de conservação da física de partículas, um próton só pode decair em partículas mais leves que ele. Não pode decair em um nêutron ou qualquer outra combinação de três quarks: um conjunto coletivo de partículas conhecidas como bárions. Qualquer decaimento que ocorra deve conservar a carga elétrica, ensinando-nos que ainda precisaríamos ter uma partícula carregada positivamente (ou um conjunto de partículas cuja carga líquida fosse igual à carga positiva do próton) no final. E esse decaimento hipotético, caso ocorresse na natureza, precisaria produzir pelo menos duas partículas, em vez de uma, a fim de conservar tanto a energia quanto o momento.

Esta é uma proposição complicada, porque o próton é o bárion mais leve conhecido, e o “número do bárion” é algo que nunca foi violado por experimentos de física de partículas. Cada quark tem um número de bárions de +⅓ e cada anti-quark tem um número de bárions de -⅓, e até agora, qualquer experimento ou decaimento já visto ou calculado tem o mesmo número total de “bárions menos antibárions” em seus produtos e suas reagentes.

No entanto, essa não é uma regra fundamental dada pelo Modelo Padrão de partículas elementares. Tudo o que o Modelo Padrão tem, como restrição ao número bariônico, é que a combinação de “número bariônico menos número leptônico” deve ser sempre conservada, onde “número leptônico” é o número de léptons carregados (elétrons, múons e taus) e léptons neutros (os neutrinos) menos o número de antiléptons carregados (pósitrons, antimúons e anti-taus) e antiléptons neutros (os antineutrinos).

Dois caminhos possíveis para o decaimento do próton são descritos em termos das transformações de suas partículas constituintes fundamentais. Esses processos nunca foram observados, mas são teoricamente permitidos em muitas extensões do Modelo Padrão, como as Teorias da Grande Unificação SU(5).

Em outras palavras, certos caminhos teóricos para o decaimento do próton estão, de fato, disponíveis. Se vamos perder um bárion, como um próton, podemos fazer isso de várias maneiras que não violam nenhuma das leis de conservação conhecidas necessárias. Um próton pode decair em:

• um antilépton carregado (como um pósitron ou um antimúon) e um méson neutro (feito de partes iguais de quark e antiquark , como um neutro pião , um neutro partícula rho , um neutro comer , ou um neutro e partícula ),
• ou um antilépton neutro (um dos antineutrinos) e um dos mésons carregados (como um carregado positivamente pião , ro , ou comer ).

Esses decaimentos hipotéticos violam algumas leis de conservação observadas – como número de bárions, número de leptões e número de família de leptões – que nunca foram vistas antes, mas que não são explicitamente conservadas no Modelo Padrão. Todas as coisas que devem ser conservadas, como energia, momento, carga elétrica e número de bárions menos léptons, ainda são conservadas por esses decaimentos hipotéticos. Pode parecer, então, que uma estratégia brilhante seria reunir um número enorme de prótons e construir um detector em torno deles que opere por um tempo muito longo em uma sensibilidade muito alta, procurando ver se algum dia ocorre decaimento do próton.

Um próton não é apenas três quarks e glúons, mas um mar de partículas densas e antipartículas dentro dele. Quanto mais precisamente olhamos para um próton e quanto maiores as energias em que realizamos experimentos de espalhamento inelástico profundo, mais subestrutura encontramos dentro do próprio próton. Parece não haver limite para a densidade das partículas internas, mas se um próton é fundamentalmente estável ou não é uma questão sem resposta.

Apenas com seu próprio corpo de sangue quente, você pode aprender algo fascinante sobre a estabilidade do próton. Considerando que cada um de nós é feito principalmente de uma mistura de prótons e nêutrons, podemos estimar para um ser humano de tamanho médio que tenhamos cerca de 2 × 10 ²⁸ prótons cada um dentro de nós. E, no entanto, para manter nossa temperatura de equilíbrio como mamíferos, um ser humano típico precisa produzir cerca de 100 watts de potência contínua. Essa é a quantidade de energia ao longo do tempo produzida por um ser humano adulto médio em condições de temperatura ambiente apenas para manter a temperatura corporal de sangue quente.

Sabemos, cientificamente, que a forma como obtemos nossa energia térmica para manter nossa temperatura corporal vem de reações químicas: da metabolização dos alimentos que ingerimos e da queima das reservas de gorduras que armazenamos. Mas, apenas para este exercício, vamos ignorar nosso metabolismo biológico e fazer uma suposição que sabemos que não pode ser verdadeira: que 100% de nossa energia térmica vem da decomposição de prótons em nossos corpos.

Isso implicaria que, para produzir esses 100 watts de potência que mantêm nossos corpos aquecidos, cerca de 700 bilhões de prótons decairiam a cada segundo dentro de cada um de nós. Mas, dado o número de prótons que temos em nós a qualquer momento, isso significa que apenas 1 em 30 quatrilhões de prótons decai a cada segundo. Apenas examinando nossos próprios corpos, isso se traduz em um tempo de vida mínimo para o próton de cerca de 1 bilhão de anos.

Embora os seres humanos sejam feitos de células, em um nível mais fundamental, somos feitos de átomos. Ao todo, existem cerca de ~ 10 ^ 28 átomos em um corpo humano, principalmente hidrogênio em número, mas principalmente oxigênio e carbono em massa.

Mas podemos fazer muito, muito melhor do que isso conduzindo experimentos projetados para procurar o decaimento do próton. Se tudo o que você fizesse fosse pegar um único próton e esperar cerca de 13,8 bilhões de anos — toda a idade do Universo — você poderia determinar que sua meia-vida provavelmente é mais longa do que o tempo total que você esperou.

Mas se você pegou algo como 10 ³⁰ prótons e esperou apenas um ano, se nenhum deles decaísse, você poderia dizer que sua meia-vida provavelmente é maior que 10 ³⁰ anos. Se você reuniu 100 vezes mais prótons (10 ³² ) e esperou por uma década (10 anos) em vez de apenas um ano, você poderia concluir que a meia-vida de um próton era maior que 10 ³³ anos. Resumidamente:

• quanto mais prótons você reunir,
• quanto mais sensível você for à decadência de até mesmo um deles,
• e quanto mais você espera,

maiores serão as restrições que você pode impor à estabilidade do próton.

Os detectores de neutrinos, como o usado aqui na colaboração BOREXINO, geralmente têm um tanque enorme que serve como alvo para o experimento, onde uma interação de neutrino produzirá partículas carregadas em movimento rápido que podem ser detectadas pelos tubos fotomultiplicadores ao redor no termina. Esses experimentos também são sensíveis a decaimentos de prótons, e a falta de decaimentos de prótons observados em BOREXINO, SNOLAB, Kamiokande (e sucessores) e outros colocaram restrições muito rígidas no decaimento de prótons, bem como tempos de vida muito longos para o próton.

Em nosso atual Universo de baixa energia, temos quatro forças fundamentais: a força gravitacional, a força eletromagnética e as forças nucleares forte e fraca. Em altas energias, duas dessas forças — a força eletromagnética e a força nuclear fraca — unificam-se e tornam-se uma única força: a força eletrofraca. Em energias ainda mais altas, com base em ideias importantes da teoria de grupos na física de partículas, teoriza-se que a força nuclear forte se unifica com a força eletrofraca. Essa ideia, chamada grande unificação , teria consequências importantes para um elemento vital da matéria: o próton.

Esta não é apenas uma ideia incompleta que surgiu porque alguém disse: “E se as outras forças se unificassem em alta energia também?” Em vez disso, surgiu por causa de um quebra-cabeça observado: o Universo parece ser feito de matéria e não de antimatéria e, no entanto, as reações do Modelo Padrão só podem produzir matéria e antimatéria em quantidades iguais.

Cada cenário que podemos inventar para explicar essa assimetria cósmica requer a existência de uma nova física, com cada um deles exigindo a existência de novas partículas que aparecerão em energias muito altas. Nas Teorias da Grande Unificação (GUTs), por exemplo, a existência de novos bósons X e Y superpesados ​​é prevista, e eles poderiam resolver o quebra-cabeça da assimetria matéria-antimatéria do nosso Universo.

Se permitirmos que as partículas X e Y, bósons de alta energia presentes nas grandes teorias unificadas, decaiam nas combinações de quarks e léptons mostradas, suas contrapartes antipartículas decairão nas respectivas combinações de antipartículas. Mas se CP for violado, os caminhos de decaimento - ou a porcentagem de partículas decaindo de uma maneira em relação a outra - podem ser diferentes para as partículas X e Y em comparação com as partículas anti-X e anti-Y, resultando em uma produção líquida de bárions ao longo antibárions e léptons sobre antiléptons. Este cenário fascinante, infelizmente, carece de evidências experimentais e observacionais críticas que o validariam como um caminho razoável para a bariogênese.

A questão é esta: para criar uma assimetria matéria-antimatéria, você precisa de uma nova partícula. E as reações exigidas por essa nova partícula devem se acoplar aos prótons de alguma forma, ensinando-nos que alguma combinação da massa do próton (com alguma potência) e a massa dessa nova partícula (com o inverso dessa mesma potência) corresponde à massa do próton. vida teórica. Para a maioria dos modelos que inventamos, esse tempo de vida previsto funciona em algum lugar entre 10 ³¹ e 10 ³⁹ anos.

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Isso é algo que podemos testar! Sabemos que, por exemplo, um litro de água contém pouco mais de 10 ²⁵ moléculas de água nele, e cada molécula de água contém dois átomos de hidrogênio, que esmagadoramente (em 99,9% + dos casos) é simplesmente um próton orbitado por um elétron. Se esse próton fosse instável, um tanque de água suficientemente grande, revestido com um conjunto suficientemente abrangente de detectores ao seu redor, deveria permitir que você:

• meça o tempo de vida do próton, o que você pode fazer se tiver mais de 0 eventos de decaimento,
• ou coloque restrições significativas no tempo de vida do próton, se você observar que nenhum deles decai.

O conteúdo de partículas do grande grupo unificado hipotético SU(5), que contém a totalidade do Modelo Padrão mais partículas adicionais. Em particular, há uma série de bósons (necessariamente superpesados), rotulados como “X” neste diagrama, que contêm ambas as propriedades de quarks e léptons, juntas, e fariam com que o próton fosse fundamentalmente instável.

No Japão, em 1982, eles começaram a construir um grande detector subterrâneo nas minas de Kamioka para realizar exatamente esse experimento. O detector foi nomeado KamiokaNDE: Kamioka Nucleon Decay Experiment. Era grande o suficiente para conter mais de 3.000 toneladas de água, com cerca de mil detectores otimizados para detectar a radiação que as partículas em movimento rápido emitiriam.

Em 1987, o detector estava funcionando há anos, sem uma única ocorrência de decaimento de próton. com mais de 10 ³¹ prótons naquele tanque, esse resultado nulo foi completamente eliminado o modelo mais popular entre as Grandes Teorias Unificadas. O próton, até onde pudemos perceber, não decai. O principal objetivo do KamiokaNDE foi um fracasso, mas ele alcançaria um tremendo sucesso científico no final daquele ano: como detector de neutrinos, quando a supernova SN 1987A explodiu na Grande Nuvem de Magalhães. Embora esses experimentos terrestres de decaimento de prótons não tenham funcionado, eles acabaram tendo outro uso: dando à luz a ciência da astronomia de neutrinos .

Os limites modernos de decaimento de prótons são ainda mais restritivos. Análises recentes de dados da década de 2010 colocaram limites mais baixos no tempo de vida de um próton que agora excedem 10 ^{3. 4} anos, de ambos os canais de decaimento de pósitrons e antimúons. Os modelos mais simples da Teoria da Grande Unificação, como a unificação de Georgi-Glashow, foram completamente descartados, a menos que o Universo seja supersimétrico e contenha dimensões extras. Prevê-se que mesmo esses cenários, para os quais não há evidências, sucumbam aos dados em andamento até o final da década de 2020.

Como os estados ligados no Universo não são os mesmos que as partículas completamente livres, pode ser concebível que o próton seja menos estável do que observamos medindo as propriedades de decaimento de átomos e moléculas, onde os prótons estão ligados a elétrons e outros compostos. estruturas. Com todos os prótons que já observamos em todos os nossos aparatos experimentais, no entanto, nunca vimos um evento consistente com o decaimento do próton.

Então, com certeza: os modelos mais simples de grande unificação não estão certos, e a vida útil do próton é incrivelmente longa: mais de um septilhão de vezes a idade atual do Universo. Não há evidências de dimensões extras e há muitas evidências fortes contra quase todos os modelos de supersimetria de baixa energia. Mas ainda não sabemos a resposta para a grande questão de saber se o próton é verdadeiramente, fundamentalmente estável ou não.

Também precisamos nos lembrar de um fato preocupante: em todas as nossas buscas por decaimento de prótons, não estamos realmente examinando prótons livres, mas sim como os encontramos na natureza: unidos como partes de átomos e moléculas, mesmo quando estão presentes como os únicos habitantes do núcleo atômico. Um “próton livre” em um átomo de hidrogênio ainda tem cerca de 0,000001% menos massa do que um próton sem um elétron ligado a ele. Já sabemos que enquanto um nêutron livre decai em cerca de 15 minutos, um nêutron unido em um núcleo mais pesado pode ser (para todos os propósitos práticos) eternamente estável. É possível que os prótons que estamos medindo, por não serem completamente livres, não sejam indicativos da verdadeira vida do próton, afinal.

Independentemente de o próton ser verdadeiramente estável para todo o sempre ou “apenas” estável por um trilhão de vezes a idade atual do Universo, a única maneira de descobrirmos isso é realizando experimentos críticos e observando como o Universo se comporta. Temos um Universo cheio de matéria quase completamente desprovido de antimatéria, e ninguém sabe por quê. Se o próton for instável, isso pode ser uma pista importante. Mas se não, precisaremos explorar caminhos alternativos para gerar a assimetria matéria-antimatéria em nosso Universo. De acordo com nosso conhecimento experimental, o próton permanece classificado como uma partícula estável. Mas tudo é experimentalmente estável até o momento em que se observa que não é. Para o próton, só o tempo dirá.

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