陽子の崩壊

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陽子崩壊

出典: フリー百科事典『ウィキペディア（Wikipedia）』 (2025/08/05 15:57 UTC 版)

ジョージ＝グラショー模型における粒子の弱アイソスピン、弱超電荷、およびカラーチャージのパターン。ここでは、陽子（2つのアップクォークと1つのダウンクォークからなる）が、電荷−4/3eを持つXボソンの媒介により、パイ中間子（アップクォークと反アップクォークからなる）と陽電子に崩壊する。

陽子崩壊（ようしほうかい、英語: proton decay）は、素粒子物理学において陽子がより軽い素粒子（中性パイ中間子と陽電子の組が一例）に崩壊するという仮説上の粒子崩壊の一種。陽子崩壊の仮説は、1967年にアンドレイ・サハロフによって初めて提唱された。多大な実験的努力が払われたが、陽子崩壊は未だ観測されていない。陽子が陽電子を経由して崩壊する場合、陽子の半減期は少なくとも1.67×10³⁴ 年と制限される。

標準模型によると、バリオンの一種である陽子は、バリオン数（クォーク数）が保存されるため安定である（通常の状況下において。例外についてはカイラルアノマリー参照）。したがって、陽子は最も軽い（すなわちエネルギーが最も低い）バリオンであるため、単独では他の粒子に崩壊しない。陽電子放出と電子捕獲（いずれも陽子が中性子になる放射性崩壊の一種）は、陽子が原子内の他の粒子と相互作用するため、陽子崩壊ではない。

標準模型を超える大統一理論（GUT）の中には、バリオン数対称性が明示的に破られており、陽子がヒッグス粒子、磁気単極子、新しいXボソンの媒介によって半減期10³¹年から10³⁶年で崩壊することを許容する理論がある。なお、宇宙の年齢はおよそ1.38×10¹⁰年である。現在までに、GUTによって予測される新しい現象（陽子崩壊や磁気単極子の存在など）を観測する試みはすべて失敗している。

量子トンネル効果は陽子崩壊のメカニズムの一つである可能性がある。

量子重力（仮想ブラックホールとホーキング放射を介する）や、超対称性における余剰次元は、上記のGUTスケールの崩壊範囲をはるかに超える大きさまたは寿命での陽子崩壊の場を提供する可能性がある。

陽子崩壊以外にも、バリオンの破れを理論的に説明する方法があり、これには、バリオン数および／またはレプトン数が1以外の値だけ変化する相互作用が含まれる（陽子崩壊では変化量は1）。これらには、Bおよび／またはLが2以上の数だけ変化すること、もしくはB-Lの破れが含まれる。このような例としては、中性子振動や、高エネルギー・高温における電弱スファレロンアノマリーが挙げられる。これは、陽子と反レプトンの衝突、またはその逆の衝突（レプトン数生成および非GUTバリオン数生成における重要な要素）によって生じる可能性がある。

バリオン数生成

物理学の未解決問題

陽子は崩壊するか？もしそうであるなら、半減期はどれくらいであるか？核結合エネルギーはこれに影響を与えるか？

現代物理学における未解決の問題の一つは、宇宙において物質が反物質よりも優勢であることである。宇宙全体としては、正のバリオン数密度がゼロではないように見える。つまり、物質が反物質よりも多い。宇宙論では、我々が観測する粒子は、現在我々が測定しているのと同じ物理を用いて生成されたと仮定されているため、通常、物質と反物質は同量生成されるはずであり、全体のバリオン数はゼロになるはずである。このことから、特定の条件下では（反物質ではなく）通常の物質が生成されることを支持する対称性の破れのメカニズムが数多く提案されている。この不均衡は非常に小さく、ビッグバンからわずか1秒後には10¹⁰個の粒子に1個程度であったが、物質と反物質のほとんどが消滅した後、現在の宇宙には、バリオン物質と、それよりはるかに多くのボソンが残ったとされている。

大統一理論のほとんどは、この矛盾を説明するためにバリオン数対称性を明確に破っており、典型的には、非常に質量の大きいXボソン（X）または質量の大きいヒッグス粒子（H⁰）を介した反応を想定する。これらの事象の反応率は、中間粒子であるXボソンまたはヒッグス粒子の質量によって大きく左右されるため、これらの反応が原因となって現在観測されているバリオン数の優勢が生じたと仮定するならば、それ以上重いと反応率が遅くなりすぎてバリオン数の優勢を説明できなくなる最大の質量を計算することができる。これらの推定値から、大量の物質が時々自発的な陽子崩壊を示すことが予測される。

実験的証拠

陽子崩壊は、1970年代に提唱された様々な大統一理論（GUT）の重要な予測の一つである（もう一つの重要な予測は磁気単極子の存在である）。この2つの概念は、1980年代初頭以来、主要な実験物理学の取り組みの焦点となってきた。現在まで、これらの事象を観測する試みはすべて失敗しているが、これらの実験は陽子の半減期の下限を確立することに成功している。現在、最も正確な結果は、日本のスーパーカミオカンデ水チェレンコフ放射検出器によるものであり、陽電子崩壊による陽子の半減期の下限は2.4×10³⁴ 年であり、同様に反ミュー粒子崩壊による陽子の半減期の下限は1.6×10³⁴ 年であり、これらは超対称性（SUSY）による予測である10³⁴–10³⁶年に近い。

理論的な動機

陽子崩壊の観測的証拠はないものの、一部の大統一理論（SU(5) ジョージ＝グラショー模型やSO(10)模型、およびその超対称性を有する変種）は、陽子崩壊を前提としている。これらの理論によれば、陽子の半減期は約10³¹~10³⁶年であり、陽電子と中性パイ中間子に崩壊し、さらにパイ中間子はすぐに2つのガンマ線光子に崩壊する。

$${\begin{aligned}{\rm {p^{+}\longrightarrow e^{+}+}}&\ \pi ^{0}\\&\downarrow \\&2\gamma \end{aligned}}$$

ウィキクォートに陽子崩壊に関する引用句集があります。

• Proton decay at Super-Kamiokande
• Pictorial history of the IMB experiment
• Luciano Maiani (8 February 2006). The problem of proton decay (PDF). Third NO-VE International Workshop on Neutrino Oscillations in Venice. Venice.

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陽子の崩壊

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「陽子」の記事における「陽子の崩壊」の解説

物理学の未解決問題陽子の寿命は無限か有限か。有限だとすればどのくらいか。 標準模型においては、陽子の寿命は無限であるとされているが、大統一理論は、非常に長い時間をかけて崩壊することを予言している。 内側にセンサーを敷き詰めた大型のタンク内の大量の液体（に含まれる陽子）を対象として観測することで、これを検出できるかもしれないという提案があり、いくつかの実験が実施されている。日本においてはカミオカンデの目的の一つが陽子の崩壊を観測することであった。陽子の寿命が仮に 1033 年ならば、1033 個の陽子を集めれば1年に1個以上の陽子の崩壊が（崩壊したら確実に観測できるとして）観測できる確率が約63 %（≒1−1/e）であり、2年間で1個以上の陽子の崩壊が観測できる確率が約87 %（≒1−1/e2）、3年間で1個以上の陽子の崩壊が観測できる確率が約95 %（≒1−1/e3）である。2017年現在、この崩壊現象は観測されておらず、引き続くスーパーカミオカンデを含めた実験結果から陽子の寿命は少なくとも 1034 年（日本の命数法で100溝年）以上であると主張されている。陽子崩壊は陽子内部のクォーク同士が 10−31 m 以内に接近したときに起きる現象であるが、これはクォークの大きさが 10−31 m 以下、または点状粒子であることを前提としている。クォーク半径が 10−31 m 以上であると、クォークの中心同士はそれ以上は接近できず、陽子崩壊は起こらない。 陽子崩壊でどういう粒子にどのくらいの確率で崩壊するかは大統一理論のモデルに依存するが、多くのモデルでは主要なモードとして次式のような陽電子と中性パイ中間子、又は反ニュートリノと陽K中間子への崩壊を予言する。 p → e + + π 0 p → ν ¯ + K +