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<title>Protonenzerfall</title>

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<h1 id="firstHeading" class="firstHeading mw-first-heading"><span class="mw-page-title-main">Protonenzerfall</span></h1>

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Dieser Artikel wurde in die Qualitätssicherung der Redaktion Physik eingetragen. Wenn du dich mit dem Thema auskennst, bist du herzlich eingeladen, dich an der Prüfung und möglichen Verbesserung des Artikels zu beteiligen. Der Meinungsaustausch darüber findet derzeit <b>nicht</b> auf der Artikeldiskussionsseite, sondern auf der <b>Qualitätssicherungs-Seite</b> der Physik statt. </div>

<p><b>Protonenzerfall</b> ist der <a href="Hypothese" title="Hypothese">hypothetische</a> <a href="Zerfallskanal" title="Zerfallskanal">Zerfall</a> eines freien <a href="Proton" title="Proton">Protons</a> in andere Teilchen.

</p><p>Der Protonenzerfall wird von einigen Varianten der <a href="Gro%C3%9Fe_vereinheitlichte_Theorie" title="Große vereinheitlichte Theorie">Großen Vereinheitlichten Theorie (GUT)</a> der <a href="Teilchenphysik" title="Teilchenphysik">Teilchenphysik</a> vorhergesagt. Dort geht man davon aus, dass ein freies <a href="Proton" title="Proton">Proton</a> nicht stabil ist, sondern lediglich eine sehr große <a href="Halbwertszeit" title="Halbwertszeit">Halbwertszeit</a> hat. Demgegenüber wird das Proton im <a href="Standardmodell" title="Standardmodell">Standardmodell</a> als stabil angesehen, da hier die <a href="Baryonenzahl" title="Baryonenzahl">Baryonenzahl</a> eine <a href="Erhaltungssatz" title="Erhaltungssatz">Erhaltungsgröße</a> ist (von hypothetischen nichtlinearen Feldeffekten abgesehen, siehe <a href="Sphaleron" title="Sphaleron">Sphaleron</a>). Derzeit existieren keine experimentellen Beobachtungen, die die Hypothese des Protonenzerfalls unterstützen.

</p>

<div class="mw-heading mw-heading2"><h2 id="Zerfall">Zerfall</h2></div>

<p>Es sind zahlreiche Arten eines Zerfalls eines Protons denkbar. Ein mögliches Beispiel ist der durch ein hypothetisches <a href="X-Boson" class="mw-redirect" title="X-Boson">X-Boson</a> vermittelte Zerfall in ein <a href="Positron" title="Positron">Positron</a> e<sup>+</sup> und ein neutrales <a href="Pion" title="Pion">Pion</a> π<sup>0</sup>, das dann weiter auf bekanntem Weg zu Strahlung (<a href="Photon" title="Photon">Photonen</a> γ) zerfällt:

</p>

<p>Da das Positron ein Antilepton ist, bleibt hierbei die Differenz zwischen <a href="Baryonenzahl" title="Baryonenzahl">Baryonen-</a> und <a href="Leptonenzahl" title="Leptonenzahl">Leptonenzahl</a> (B − L) erhalten. Die Baryonenzahl wird dagegen verletzt, da das Proton die Baryonenzahl 1 und das Pion und <a href="Elektron" title="Elektron">Elektron</a> jeweils den Wert 0 besitzen. Dies ist eine Vorhersage der meisten Varianten der GUT.

</p>

<div class="mw-heading mw-heading2"><h2 id="Quarkmodell">Quarkmodell</h2></div>

<p>In einer vereinfachten Betrachtung (ohne die virtuellen <a href="Quark_(Physik)" title="Quark (Physik)">Quarks</a> in p und π<sup>0</sup>) kann man sich den Zerfall eines Protons so vorstellen:

</p><p>Das Proton besteht aus den Quarkbestandteilen uud, und das neutrale Pion ist ein <a href="Quantenmechanik" title="Quantenmechanik">quantenmechanischer</a> <a href="Superposition_(Physik)" title="Superposition (Physik)">Mischzustand</a> 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 <a href="Leptoquark" title="Leptoquark">X- bzw. Y-Boson</a> so:<sup id="cite_ref-1" class="reference"><a href="#cite_note-1"><span class="cite-bracket">[</span>1<span class="cite-bracket">]</span></a></sup><sup id="cite_ref-2" class="reference"><a href="#cite_note-2"><span class="cite-bracket">[</span>2<span class="cite-bracket">]</span></a></sup>

</p>

<p>mit dem „unbeteiligten“ Down-Quark ergibt sich:

</p>

<p>oder alternativ:

</p>

<p>mit dem „unbeteiligten“ Up-Quark ergibt sich:

</p>

<p>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>.

</p>

<div class="mw-heading mw-heading2"><h2 id="Forschung">Forschung</h2></div>

<p>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 <a href="Super-Kamiokande" title="Super-Kamiokande">Super-Kamiokande</a>-Detektor in <a href="Japan" title="Japan">Japan</a> deuten (Stand 2017) auf eine untere Schranke von mindestens 1,6·10<sup>34</sup> Jahren hin.<sup id="cite_ref-3" class="reference"><a href="#cite_note-3"><span class="cite-bracket">[</span>3<span class="cite-bracket">]</span></a></sup> Zur Detektion werden ähnliche <a href="Teilchendetektor" title="Teilchendetektor">Teilchendetektoren</a> verwendet wie beim Nachweis von <a href="Neutrino" title="Neutrino">Neutrinos</a>. Durch die Experimente konnten schon einige GUT-Kandidaten ausgeschlossen werden, die minimale SU(5)-Theorie schon Mitte der 1990er Jahre.<sup id="cite_ref-4" class="reference"><a href="#cite_note-4"><span class="cite-bracket">[</span>4<span class="cite-bracket">]</span></a></sup>

</p><p>Wie <a href="Waleri_Anatoljewitsch_Rubakow" title="Waleri Anatoljewitsch Rubakow">Rubakow</a> 1981 entdeckte, könnten auch <a href="Magnetischer_Monopol" title="Magnetischer Monopol">magnetische Monopole</a> – falls sie existieren – durch <a href="Magnetischer_Monopol#Katalyse_des_Protonenzerfalls" title="Magnetischer Monopol">Katalyse</a> den Protonenzerfall bewirken. Solche magnetischen Monopole müssen (den sie vorhersagenden Theorien zufolge) eine große <a href="Masse_(Physik)" title="Masse (Physik)">Masse</a> haben; sie wurden bisher nicht nachgewiesen.

</p>

<div class="mw-heading mw-heading2"><h2 id="Literatur">Literatur</h2></div>

<ul><li>Fred Adams, Greg Laughlin: <i>Die fünf Zeitalter des Universums. Eine Physik der Ewigkeit.</i>, dtv, ISBN 3-423-33086-4. 280 S. (2002)</li></ul>

<div class="mw-heading mw-heading2"><h2 id="Weblinks">Weblinks</h2></div>

<ul><li><a rel="nofollow" class="external text" href="http://hep.bu.edu/~superk/pdk.html">Protonenzerfall am Super-Kamiokande (englisch)</a></li></ul>

<div class="mw-heading mw-heading2"><h2 id="Einzelnachweise">Einzelnachweise</h2></div>

<li id="cite_note-1"><span class="mw-cite-backlink"><a href="#cite_ref-1">↑</a></span> <span class="reference-text">Stephan Kreppner: <cite style="font-style:italic">Seminar: Protonzerfall</cite>. Universität Erlangen, 2003.<span class="Z3988" title="ctx_ver=Z39.88-2004&rft_val_fmt=info%3Aofi%2Ffmt%3Akev%3Amtx%3Abook&rfr_id=info:sid/de.wikipedia.org:Protonenzerfall&rft.au=Stephan+Kreppner&rft.btitle=Seminar%3A+Protonzerfall&rft.date=2003&rft.genre=book&rft.pub=Universit%C3%A4t+Erlangen" style="display:none"> </span></span>

</li>

<li id="cite_note-2"><span class="mw-cite-backlink"><a href="#cite_ref-2">↑</a></span> <span class="reference-text">Girtler: <cite style="font-style:italic">Seminar Astro-Teilchenphysik: Protonenzerfall</cite>. Universität Innsbruck, 2003 (<a rel="nofollow" class="external text" href="http://physik.uibk.ac.at/hephy/lectures/seminar/2002ws/7_Protonzerfall.pdf">PDF</a>).<span class="Z3988" title="ctx_ver=Z39.88-2004&rft_val_fmt=info%3Aofi%2Ffmt%3Akev%3Amtx%3Abook&rfr_id=info:sid/de.wikipedia.org:Protonenzerfall&rft.au=Girtler&rft.btitle=Seminar+Astro-Teilchenphysik%3A+Protonenzerfall&rft.date=2003&rft.genre=book&rft.pub=Universit%C3%A4t+Innsbruck" style="display:none"> </span></span>

</li>

<li id="cite_note-3"><span class="mw-cite-backlink"><a href="#cite_ref-3">↑</a></span> <span class="reference-text">M. Miura u. a. (Super-Kamiokande), Phys. Rev. D, Band 95, 2017, S. 012004, <a rel="nofollow" class="external text" href="https://arxiv.org/abs/1610.03597">Arxiv</a></span>

</li>

<li id="cite_note-4"><span class="mw-cite-backlink"><a href="#cite_ref-4">↑</a></span> <span class="reference-text"><a rel="nofollow" class="external text" href="https://www.quantamagazine.org/no-proton-decay-means-grand-unification-must-wait-20161215/">Natalie Wolchover, Grand Unification Dream Kept at Bay</a>, Quanta Magazine, 15. Dezember 2016</span>

</li>

</ol></div><div><div class="zim-footer">

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