质子会衰变的依据是什么？

质子可以发生 $\beta^{+}$ 衰变反应，衰变为中子、正电子、电子味中微子。但由于质子的静止质量小于中子的，反应前能量小于反应后，故能量守恒阻止了自由质子发生这个反应。在原子核中( $^{1}\textrm{H}$ 除外)，质子从其它核子获得能量，才得以发生 $\beta^{+}$ 反应。

通常说的质子衰变，指自由的质子衰变。由上述知，自由的质子不能发生 $\beta^{+}$ 衰变，那么可以考虑其它可能性：

破坏重子数守恒。

这样质子的衰变产物就可以是介子、轻子，而不用是重子（好像质子是最轻的重子），不违反能量守恒了。

由三个夸克构成的粒子属于重子，质子、中子都属于重子。重子们有一个量子数叫重子数，质子、中子的重子数为+1，它们的反粒子的重子数为-1。重子数守恒讲，粒子反应不改变系统的重子数。如，自由的中子的 $\beta$ 衰变，原子核的质子的 $\beta^{+}$ 衰变，它们反应前重子数为+1，反应后重子数也是+1。重子数守恒是标准模型的结论，类似的还有轻子数守恒。这是因为夸克间的相互作用只改变夸克味道、颜色，不改变夸克数目；而且，夸克具有色禁闭的特点，只能存在介子（两夸克的粒子）、重子中。这样，重子在反应时，要么湮灭为介子，要么转化为其它重子，因此重子数守恒。

怎么打破重子数守恒呢？

由前述可知，重子数守恒是由相互作用、色禁闭导致的。强子对撞实验没有发现色禁闭被破坏，强、弱相互作用也一样。所以我们可以考虑添加新的相互作用。

允许夸克到轻子的过程。

在标准模型中，夸克参与强相互作用、电弱相互作用。强相互作用用SU(3)规范场论描述（量子色动力学），即红、绿、蓝三色夸克（颜色是一种量子数，不是通常的颜色）组成一个内部空间——色空间，夸克在色空间里转动时，与它是什么夸克无关，而它在什么时间、地点有关（局域性）。通俗的来讲，我们可以颠倒黑白：我口袋里有“一个红“夸克，我走了一段距离，再掏出来一看，其实是“一个蓝”夸克。为了保持颠倒黑白的能力，我们需要交换球，使夸克从完成红到蓝的转变：引入一个蓝反红的小球，它把红夸克变成蓝夸克。这个”小球“就是胶子。电弱相互作用类似，见我的回答：如果不存在弱相互作用，宇宙可能会变成什么样子？Paul Kant的回答。

强相互作用实现了同味夸克的颜色转变，弱相互作用实现了同代夸克的转变。它们无法实现夸克到轻子的直接转变。如果，我们把色空间和弱同位旋空间直和，则在这个新的内部空间里面，夸克不仅可以在色空间里转动，也可以在弱同位旋空间转动了。通俗的来说：我口袋里有”一个红“夸克，走了一段距离，掏出来一看，原来是”一个蓝“夸克；放回去继续走一段距离，再掏出来看，其实是”一个“电子！！

SU(5)大统一模型。

在我们上面的操作中，得到新的规范群是SU(5)，标准模型的规范群 $SU(3)_C\otimes SU(2)_L\otimes SU(1)_Y$ 是它的子群。SU(5)有24个生成元，每一个生成元对于一个矢量场，就有24个矢量场来传递相互作用。标准模型占去12个，它们是8个胶子，3个弱相互作用玻色子，1个光子。剩下12个就是新的相互作用，被称为X，Y。

3个X矢量场（3来自三种颜色），每个带 $+\frac{4}{3}$ 的元电荷（以电子的电荷量为单位），耦合下型夸克场（下夸克d, 奇异夸克s, 底夸克b，它们带 $-\frac{1}{3}$ 的元电荷）和带电轻子场（ $e,\mu, \tau$ ，它们带 $-1$ 元电荷），实现下型夸克与带电轻子的相互转变；耦合上型夸克（上夸克u、粲夸克c、顶夸克t，它们带 $+\frac{2}{3}$ 的元电荷），实现上型夸克的相互湮灭。相应的，还有3个反X矢量场，耦合上述过程的反粒子，实现它们的反粒子反应。

3个Y矢量场，每个带 $-\frac{1}{3}$ 的元电荷，耦合上型夸克场和带电轻子场，实现上型夸克与带电轻子的相互转变；耦合上型夸克场和下型夸克场，实现上型夸克与下型夸克的相互湮灭；耦合下型夸克场与中性轻子场（即中微子， $\nu_{e}, \nu_{\mu}, \nu_{\tau}$ ），实现下型夸克与中微子的相互转变。相应的，还有3个反Y矢量场，耦合上述过程的反粒子，实现它们的反粒子反应。

SU(5)模型中的质子衰变。

质子内部是三个价夸克，和不计其数的海夸克。三个价夸克承担了质子的自旋、强相互作用，海夸克们是色真空的极化，贡献质子的质量。这三个价夸克是两个上夸克u、一个下夸克d。

在SU(5)大统一理论中，我们有了X、Y相互作用，轻松（并不）实现质子的衰变。过程如下，

(画图渣，上图体会一下就行。。。)

上图是质子衰变的几个主要反应。图中可见质子衰变产物主要是中性 $\pi$ 介子（ $\pi^{0}$ ）+正电子，带电 $\pi$ 介子（ $\pi^{+}$ ）+ 电子味中微子（ $\nu_{e}$ ）不多。

$\pi^{0}+e^+$ 衰变组合，新生的 $\pi^{0}$ 很快衰变（ $8.4\times 10^{-17}s$ ）为一对伽马光子。

质子衰变探测实验

在一个框架内描述所有相互作用是现代理论物理的终极梦想（如温伯格《终极理论之梦》，彭罗斯《通往实在之路》，书名很装逼(*^_^*)）。在20世纪70年代，被称为标准模型的量子规范场理论，成功地用基于 $SU(2)_{L}\times U(1)_Y$ 群的格拉肖-温伯格模型统一描述电磁作用、弱相互作用；用基于 $SU(3)_C$ 群的量子色动力学成功地描述强相互作用。这两个理论模型都是非阿贝尔规范场理论（杨-米尔斯理论），在低能时，发生对称性自发破缺（详见我的回答：引力子和希格斯玻色子互相矛盾吗？Paul Kant的回答。）。格拉肖-温伯格模型变成量子电动力学、SU(2)弱相互作用理论，量子色动力学则近似为手征夸克理论。

如此，人们在取得标准模型成功的鼓舞下，自然而然想到标准模型应该是一个低能理论，是更高的对称性破缺后的理论。因此，我们可以在对称性自发破缺的基础上，寻找更高的对称性，新理论可以统一描述强相互作用、电弱相互作用，在低能时破缺至标准模型。这些大统一理论模型有简单的SU(5)大统一模型，SO(10)大统一模型（更多参见Grand Unified Theory）。各模型预言不同途径的质子衰变和质子寿命，通过实验测定质子寿命可以限制理论模型。

日本的超级神冈实验最初（现在还是，不过歪打正着被用来探测中微子了。。。）是专门用来探测质子衰变。方案是储备一定量的纯水，探测水分子中氢原子的原子核（也就是质子），如果衰变，所释放的光子、以及正电子的切伦科夫辐射。超级神冈实验给出的质子寿命下限为 $1.67\times 10^{34}$ 年，而前面我们讲的SU(5)模型给出的寿命为 $10^{31}$ 年，基本排除了这个模型。。。

尾声

更多内容留待以后更新。

来源：知乎 www.zhihu.com

作者：知乎用户（登录查看详情）

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