Διασπάται (αυθορμήτως) το πρωτόνιο; Ενώ αυτή ήταν η προκλητική πρόβλεψη των Μεγάλων Ενοποιημένων Θεωριών (GUTs) που αναπτύχθηκε στις δεκαετίες του 1970 και του 1980, οι πειραματικοί φυσικοί την απέκλεισαν – ή μάλλον, έθεσαν ένα κατώτερο όριο στην μέση διάρκεια ζωής του, περίπου στα 1034 χρόνια. Αυτό το χρονικό διάστημα είναι 20 τάξεις μεγέθους μεγαλύτερο από την σημερινή ηλικία του σύμπαντος!
Σε μια πρόσφατη δημοσίευση με τίτλο «How fast can protons decay?» , οι φυσικοί Hooman Davoudiasl και Peter B. Denton αναρωτιούνται: Θα μπορούσε η διάρκεια της ζωής του πρωτονίου να είναι διαφορετική σε άλλα μέρη και σε άλλες εποχές; Θα μπορούσε το πρωτόνιο να διασπώνταν γρηγορότερα στο παρελθόν; Θα μπορούσε να διασπάται πιο γρήγορα κάπου αλλού στο σύμπαν; Υποθέτοντας ότι η διάσπαση του πρωτονίου συμβαίνει, επανεξέτασαν κάποιες φυσικές διαδικασίες και υπολόγισαν τον πιθανό χρόνο ζωής του περίπου 1018 έτη. Αυτή η τιμή είναι μόνο οκτώ τάξεις μεγέθους μεγαλύτερη από την διάρκεια ζωής του σύμπαντος.
Οι φυσικοί είχαν θέσει στο παρελθόν παρόμοιες ερωτήσεις του τύπου: «Είναι οι θεμελιώδεις παράμετροι της φυσικής που μετρώνται στη Γη ίδιες και αλλού στο σύμπαν;» Ισχύουν τοπικά, μόνο εδώ στον γαλαξία που ζούμε, και μόνο τώρα στο παρόν που βιώνουμε;
Τι θα γινόταν λοιπόν αν και η διάσπαση των πρωτονίων εξαρτιόταν από τον χρόνο ή τον χώρο;
Για να διερευνήσουν αυτό το ενδεχόμενο οι Denton και Davoudiasl, εξέτασαν τις περιπτώσεις όπου η θερμότητα από την πιθανή διάσπαση των πρωτονίων θα επηρέαζε την εξέλιξη του πυρήνα του σιδήρου της Γης ή ένα άστρο νετρονίων. Στις GUTs, η διάσπαση πρωτονίων θα μπορούσε να πραγματοποιηθεί με πολλούς τρόπους – μέσα από κανάλια που περιλαμβάνουν ουδέτερα ή φορτισμένα ιόντα, ηλεκτρόνια ή μιόνια, νετρίνα ή καόνια σε διαφορετικούς συνδυασμούς.
Οι ερευνητές θεώρησαν ένα κανάλι διάσπασης ενός πρωτονίου προς ένα θετικό πιόνιο και ένα σκοτεινό φερμιόνιο (
Γεωλογία
Αρχικά εξέτασαν τον στερεό σιδερένιο πυρήνα της Γης. Αν τα πρωτόνια διασπώνται τότε η ενέργεια που απελευθερώνεται μετατρέπεται σε θερμότητα. Οι ερευνητές έθεσαν το ερώτημα: ποιά πρέπει να είναι η διάρκεια ζωής του πρωτονίου ώστε ο σιδερένιος στερεός πυρήνας να μην έχει λιώσει; Επειδή ο εσωτερικός πυρήνας δεν ήταν πάντα στερεός – οι γεωλόγοι πιστεύουν ότι ήταν στερεός για περίπου 1 έως 1,5 δισεκατομμύρια χρόνια. Άλλες εκτιμήσεις κυμαίνονται από 0,7 έως 2 δισεκατομμύρια χρόνια. Οι συγγραφείς υπολόγισαν ότι η παραγωγή θερμότητας περίπου τετραπλάσια εκείνης από τον τρέχοντα εσωτερικό πυρήνα, ο οποίος εκπέμπει περίπου 1013 Watt ως μέλαν σώμα στους 6.200 K, θα έλιωνε τη συμπαγή σφαίρα. Δεδομένου ότι δεν είναι λιωμένη, βρίσκουν ότι η διάρκεια ζωής του πρωτονίου πρέπει να είναι μεγαλύτερη από 2×1018 χρόνια.
Αστροφυσική
Στη συνέχεια διερεύνησαν την περίπτωση ενός άστρου νετρονίων, ψάχνοντας πάλι για επιπλέον παραγωγή θερμότητας εξαιτίας της διάσπασης των πρωτονίων. Το πιο ψυχρό γνωστό πάλσαρ είναι το PSR J2144–3933. Έχει θερμοκρασία μικρότερη από 42.000 Κ και ηλικία περίπου 0,3 δισεκατομμύρια χρόνια. (Όλα τα πάλσαρ είναι άστρα νετρονίων, αλλά δεν είναι όλα τα άστρα νετρονίων πάλσαρ). Υποθέτοντας μια μάζα περίπου 1,4 ηλιακών μαζών και γνωρίζοντας ότι τα πρωτόνια είναι περίπου το 10% του βαρυονικού περιεχομένου του βαρυονικού περιεχομένου ενός αστέρα νετρονίων, αυτό το άστρο νετρονίων περιέχει περίπου 2×1056 πρωτόνια. Σύμφωνα με τους υπολογισμούς των Davoudiasl και Denton η διάρκεια ζωής του πρωτονίου πρέπει να είναι μεγαλύτερη από 1,5×1018 χρόνια, πολύ κοντά στην εκτίμηση που προέκυψε από τον εσωτερικό πυρήνα της Γης.
Koσμολογία
Οι περιορισμοί στα προϊόντα διάσπασης της (συνήθους) σκοτεινής ύλης και οι περιορισμοί από την κοσμική μικροκυματική ακτινοβολία υποβάθρου έδωσαν άλλο ένα χαμηλότερο όριο διάρκειας ζωής ∼2×1017 ετών.
Στην εργασία τους οι Davoudiasl και Denton αναφέρονται και στην πυρηνοσύνθεση λίγα λεπτά μετά την Μεγάλη Έκρηξη. Η αρχέγονη πυρηνοσύνθεση είναι επίσης ευαίσθητη στην γρήγορη διάσπαση πρωτονίων. Οι παρατηρήσεις άστρων στον Γαλαξία μας, που σχηματίστηκαν πολύ νωρίς (≲1 Gyr μετά την Μεγάλη Έκρηξη) και έχουν χαμηλή μεταλλικότητα (μέταλλα στην αστροφυσική θεωρούνται τα στοιχεία που είναι βαρύτερα από το υδρογόνο και το ήλιο), μπορούν να περιορίσουν τη διάρκεια ζωής του πρωτονίου στην τιμή τp∼1015 έτη . Αυτό οφείλεται στην συμπεραινόμενη αφθονία βορίου σε πολύ παλιά άστρα, η οποία μπορεί να ενισχυθεί από την διάσπαση του άνθρακα, καθώς ένα από τα πρωτόνιά του διασπάται.
Παλαιοναιχνευτές
Εξέτασαν επίσης διάφορα σενάρια «παλαιοανιχνευτών», όπως αυτά που περιγράφονται από τους Baum et al: πρωτόνια που διασπώνται σε ένα αντινετρίνο και ένα καόνιο (έναν βαρύτερο ξάδερφο του πιονίου): 
Ένας ακόμη περιορισμός προέρχεται από την εξέταση της πολύ χαμηλής τιμής (2×10-18) του λόγου 14C/12C στο φυσικό αέριο. Η διάσπαση πρωτονίων θα μπορούσε να είναι μια επιπλέον πηγή 14C (το οποίο έχει ημιζωής 5700 χρόνια), από το 15Ν. Αυτοί οι υπολογισμοί δίνουν ένα κατώτερο όριο στη ζωή του πρωτονίου περίπου 1019 έτη.
Σύμφωνα με τον Davoudiasl η διερεύνηση της διάσπασης των πρωτονίων μακριά από τη Γη ή σε πολύ προγενέστερους χρόνους «αποκτά νόημα, αν για παράδειγμα μια υποθετική δύναμη μεγάλης εμβέλειας μπορούσε να επηρεάσει την μάζα ενός νέου σωματιδίου στο οποίο ένα πρωτόνιο μπορεί να διασπαστεί, καθιστώντας την διάρκεια ζωής του πρωτονίου πολύ μικρότερη, όταν αυτές οι διασπάσεις επιτρέπονται ενεργειακά». Υπάρχει μια πληθώρα πηγών για αυτήν την υποθετική δύναμη, η οποία μπορεί να μεταβάλλεται κοντά στο ηλιακό σύστημα καθώς ο ήλιος περιφέρεται γύρω από το κέντρο του Γαλαξία κάθε 230 εκατομμύρια χρόνια, κάτι που θα οδηγούσε σε μια διάρκεια ζωής πρωτονίου που θα ποικίλλει ανάλογα με το χώρο και το χρόνο.
πηγές:
1. Might the proton decay in other places or at other times? -https://phys.org/news/2025-03-proton-decay.html
2. How fast can protons decay? -https://journals.aps.org/prd/abstract/10.1103/PhysRevD.111.035026
διαβάστε σχετικά:
1. Είναι δυνατή η διάσπαση του πρωτονίου;
2. Ποιος είναι ο χρόνος ζωής του πρωτονίου;
Κατηγορίες:ΑΣΤΡΟΦΥΣΙΚΗ, ΓΕΩΦΥΣΙΚΗ, ΣΚΟΤΕΙΝΗ ΥΛΗ, ΣΤΟΙΧΕΙΩΔΗ ΣΩΜΑΤΙΑ
physicsgg 
Σχολιάστε