Desintegración del Protón

Se dice que algo es estable cuando permanece en el mismo estado durante mucho tiempo (RAE). ¿Cuanto tiempo debe permanecer estable?¿Es suficiente la edad del universo? Este es el caso del protón y a pesar de ello aun se está midiendo su estabilidad o mejor, su inestabilidad.

proton-decay

Protones junto con neutrones y electrones forman la materia que nos rodea. Los núcleos atómicos están formados por protones y neutrones. Estos últimos se sabe que son inestables fuera del núcleo. Pero, ¿en que se desintegran? Para que una partícula se pueda desintegrar uno de los requisitos fundamentales es que su masa (en reposo) sea mayor que la suma de las masas de las partículas resultantes. El protón tiene una masa menor que el neutrón, así que puede ser uno de los productos de la desintegración. Además, nos aseguramos que se conserva el número de bariónico (B), cantidad conservada dentro del Modelo Estándar de la física. El Modelo Estándar también nos dice que la carga eléctrica es una cantidad que se conserva, necesitamos pues otra partícula. El electrón tiene una masa muy pequeña, cumpliéndose la exigencia de la masa y además consigue que se conserve la carga en el proceso. El problema es que no se conserva el número leptónico (L), necesitamos otra partícula, ya que sabemos que la desintegración se produce. Esta partícula es el neutrino, partícula con una masa muy cercana a cero (ver el artículo sobre el reciente Nobel de Física por el descubrimiento de la oscilación de los neutrinos). Los productos de desintegración que cumplirían las leyes de conservación del Modelo Estándar son un protón, electrón y neutrino. Efectivamente, estos son el resultado de la desintegración del neutrón, esto ocurre en la naturaleza y tiene una vida media de unos 10 minutos.

¿Podríamos hacer lo mismo para el protón? La respuesta rápida es que si seguimos las reglas del Modelo Estándar, esto no es posible. No conocemos ningún barión con una masa menor que la del protón. Para que esta desintegración tenga lugar necesitamos que el número bariónico no se conserve. Para ello tenemos que acudir a algunas de las teorías de Gran Unificación (GUT). Estas teorías predicen que las fuerzas fuerte, débil y el electromagnetismo se unifican a una energía muy alta e incluyen una pequeña violación de los números bariónico y leptónico (conservando la diferencia, B-L). Unificar estas tres fuerzas se ve como un paso intermedio para conseguir una Teoría del Todo (TOE) que incluya la Gravedad.

La detección de la desintegración del protón es un requisito indispensable para las teorías de GUT. Algunas de estas teorías predicen una vida media para el protón de alrededor de unos 1031 (o 10.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000) años. En este caso la desintegración a buscar sería protón decayendo a pión neutro y positrón. Si comparamos con la vida del protón con la edad del universo (unos 14 109 o 14.000.000.000 años), podemos estar tranquilos y sin miedo a que el universo se desintegre delante de nuestros ojos. Pero, ¿cómo podemos medir una cantidad tan grande? Ciertamente no tenemos tanto tiempo. Lo que si que es posible es aumentar el número de protones bajo estudio. Si reunimos 1031 protones (unas 150 toneladas de agua) tenemos que alguno de ellos se desintegrará si los observamos durante un año, si su vida media es de 1031. Esto es lo que se hace en los experimentos que estudian la desintegración del protón como el Super-Kamiokande.

kamiokandeSuper-Kamiokande esta buscando indicios de la desintegración del protón utilizando un gran tanque con 50.000 toneladas de agua rodeada de detectores. Estos detectores son capaces de detectar la desintegración de los protones en el tanque. Este experimento lleva en funcionamiento más de 17 años y los canales de desintegración del protón en pion más positrón o kaon más neutrino predichos por teorías GUT (y GUT Super-Simétrica) no se han observado. Esto ha servido para poner un límite inferior a la vida media del protón de 5.9 1033 años. Gracias a esto, algunas de las teorías que predecían una vida media inferior se han conseguido descartar, aunque algunas de las teorías super-simétricas predicen un valor incluso mayor.

Dos nuevos detectores, aun en proyecto, continuarán la búsqueda de Super-Kamiokande. Hyper-K con 20 veces el volumen de agua de Super-Kamiokande remplazará a este y lo dotará de mayor poder de detección. DUNE que se construirá en los Estados Unidos es la nueva apuesta americana para la física de neutrinos. Ambos detectores se dedicarán al estudio de los neutrinos, pero uno de los puntos en su programa de física es la medida de la vida media del protón. Habrá que esperar unos años para ver estos proyectos en funcionamiento, pero mientras tanto Super-Kamiokande seguirá tomando datos y arrojando más luz sobre la inestabilidad del protón.

Symmetry magazine : Do protons decay?

Of Particular Significance : Most Particles Decay – Yet Some Don’t!

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