Perché un protone non decade?
Un protone isolato, non legato in un nucleo instabile, non si trasforma spontaneamente in altre particelle più leggere, cioé non decade per due motivi fondamentali: uno sperimentale e uno teorico legato alla conservazione del numero barionico e l'altro alla stabilità energetica.
Conservazione del numero barionico
Nel Modello Standard della fisica delle particelle, esiste una quantità chiamata numero barionico $B$ che viene associato alle particelle:
- Ogni barione (come il protone o il neutrone) ha come numero barionico $B = +1$
- Gli antibarioni hanno un numero barionico $B = -1$
- Tutte le altre particelle (leptoni, fotoni, ecc.) hanno un numero barionico nullo $B = 0$
Le interazioni forti e le interazioni deboli, quelle che governano i decadimenti, conservano il numero barionico.
In altre parole, una reazione è ammessa solo se il numero barionico non cambia prima e dopo.
Questo significa che un singolo protone, per decadere, dovrebbe trasformarsi in particelle con lo stesso numero baronico $B$.
Un protone ha $B = +1$ e dovrebbe trasformarsi in un altro barione più leggero per rispettare la conservazione del numero barionico.
Il problema è che non esiste un altro barione più leggero del protone.
$$ m_p \approx 938.27 \ \text{MeV}/c^2 $$
Tutti gli altri barioni (come i neutroni o i Δ) sono più pesanti. Le particelle più leggere e stabili che conosciamo (elettroni, neutrini, fotoni), invece, hanno come numero barionico $B = 0$.
Quindi, nel Modello Standard, il protone è stabile perché è il barione più leggero
Anche se il numero barionico non fosse un vincolo, non ci sarebbe comunque alcuna combinazione di particelle stabili più leggere in cui il protone possa decadere senza violare la conservazione dell’energia.
Nota. Alcune teorie oltre il Modello Standard (come le teorie di grande unificazione, GUT) prevedono che il numero barionico non sia esattamente conservato. In quel caso, il protone potrebbe decadere in canali come: $$ p \rightarrow e^+ + \pi^0 $$ $$ p \rightarrow e^+ + \gamma $$ Tuttavia, gli esperimenti hanno posto limiti enormi. Ad esempio, l’eventuale tempo di vita medio del protone deve essere maggiore di $10^{34}$ anni, cioè molto più dell’età dell’universo ($\sim 1.4 \times 10^{10}$ anni). Inoltre, finora nessun decadimento è stato mai osservato.
E così via.
