¿Cuál es la diferencia entre la desintegración beta positiva y la desintegración de protones?

Los protones y los neutrones son partículas muy similares . Aunque tienen cargas diferentes, en lo que se refiere a la fuerza fuerte son casi idénticas. Entonces, cambiar un protón a un neutrón y viceversa no se considera descomposición porque no está cambiando la cantidad de nucleones. Más precisamente, el número bariónico permanece constante.

Si describimos el protón y el neutrón como un estado ligado de tres quarks$^1$entonces un protón tiene dos quarks arriba y uno abajo, mientras que un neutrón tiene dos quarks abajo y uno arriba. Intercambiarlos requiere cambiar un quark up por un quark down y viceversa , lo que sucede por emisión/absorción de un electrón o positrón. El número de quarks no cambia y el proceso es reversible.

El proceso que normalmente describimos como desintegración de protones es mucho más radical. En realidad, existen varios mecanismos posibles diferentes para la descomposición del protón, pero todos implican que el protón desaparece por completo dejando solo un positrón y dos fotones. Esto tiene que involucrar la creación de una partícula hipotética y hasta ahora no observada llamada bosón X. El modelo estándar no incluye el bosón X, por lo que en lo que respecta al modelo estándar, el protón no puede decaer.

$^1$¡Precaución! ¡No es literalmente cierto!

Los protones y los neutrones pertenecen a un doblete de isospín, con el barión número uno. El número bariónico es una cantidad conservada, una ley que proviene de observaciones experimentales. Aquí está la representación donde pertenecen el protón y el neutrón, el octeto bariónico :

Estas partículas se desintegran al representante de masa más bajo de los bariones, el protón, y el protón se considera estable.

Se permite el decaimiento beta + si hay suficiente energía, pero nuevamente, se conserva el número bariónico.

Con el descubrimiento de los quarks, el modelo estándar es consistente al dar 1/3 del número bariónico a cada quark. La cuestión de la descomposición del propio protón se responde negativamente. Todo se debe a la ley de conservación del número bariónico que se cumple en las matemáticas del modelo estándar.

Sin embargo, existen modelos más allá del modelo estándar, y allí uno puede escribir diagramas y calcular las probabilidades de que un protón se desintegre , por ejemplo, en el diagrama a continuación, no se obedecen las reglas del número bariónico ni del número leptónico del modelo estándar.

La x es un leptoquark en este modelo y lo están buscando en el LHC.

Hay experimentos en curso que verifican estas extensiones propuestas del modelo estándar y han establecido límites en las desintegraciones de protones .

Un resultado de 2014 con 260kT·año de datos, buscando la descomposición en mesones K estableció un límite inferior de 5,9 × 10^33 años, cerca de una predicción de supersimetría (SUSY) de cerca de 10^34 años.

Los protones tienen masas más pequeñas que los neutrones. Es energéticamente favorable que un neutrón libre decaiga en a (protón, electrón, antineutrino) pero no es posible que un protón libre decaiga en a (neutrón, positrón, neutrino). Sin embargo, dentro de un núcleo, este último proceso es posible (desintegración beta positiva). En cualquier caso, el número de bariones sigue siendo el mismo. La exótica descomposición del protón no deja bariones en absoluto.