Search for proton decay via $p \to e^{+}\pi^{0}\pi^{0}$ and $p \to \mu^{+}\pi^{0}\pi^{0}$ in 0.401 megaton-years exposure of Super-Kamiokande I-V

Deze studie presenteert de eerste zoektocht in Super-Kamiokande naar protonverval via de kanalen $p \to e^{+}\pi^{0}\pi^{0}$ en $p \to \mu^{+}\pi^{0}\pi^{0}$, waarbij geen bewijs voor verval werd gevonden en nieuwe ondergrenzen voor de levensduur werden vastgesteld die meer dan een orde van grootte hoger zijn dan eerdere resultaten.

De kern

De Grote Protonjacht: Super-Kamiokande en het zoektocht naar het onmogelijke

Stel je voor dat je een enorme, ondergrondse zwembaan hebt, gevuld met 50.000 ton van het allerzuiverste water. Dit is Super-Kamiokande, een gigantische detector in een mijn in Japan. Maar dit is geen zwembad voor vakantiegangers; het is een gigantische camera die wacht op iets dat misschien wel nooit gebeurt: het verdwijnen van een atoomkern.

In dit wetenschappelijke artikel vertellen de onderzoekers over hun zoektocht naar protonverval.

1. Wat is een proton en waarom zou het verdwijnen?

Protonen zijn de bouwstenen van alles om ons heen. Ze zitten in de kern van elk atoom. Volgens de oude regels van de natuurkunde zijn protonen eeuwig. Ze zijn onsterfelijk. Maar sommige moderne theorieën (de "Groot Unificatie-theorieën") zeggen dat protonen eigenlijk heel langzaam kunnen "verrotten" en veranderen in andere deeltjes.

Als een proton verrot, zou het kunnen ontploffen in een flits van energie en nieuwe deeltjes. De onderzoekers keken specifiek naar twee rare ontploffingen:

• Een proton verandert in een positron (een anti-elektron) en twee neutrale pionen (soort van zware, onstabiele deeltjes).
• Of een proton verandert in een antimuon en twee neutrale pionen.

Het is alsof je een steen in een bak water gooit en hoopt dat de steen plotseling verandert in een vogel en twee bloemen. Het is zo zeldzaam dat het waarschijnlijk nog nooit is gezien.

2. De Jacht: Een naald in een hooiberg

De onderzoekers hebben 0,401 "megaton-jaar" aan data geanalyseerd. Dat klinkt als een gekke eenheid, maar het betekent simpelweg: ze hebben gekeken naar een hoeveelheid water die zo groot is als een berg, gedurende een heel lange tijd.

Om dit te doen, gebruikten ze een slimme truc:

• De Zwembaan: Het water in de detector fungeert als een spiegel. Als een proton verrot, schieten de nieuwe deeltjes eruit als een raket. Ze bewegen sneller dan het licht kan door water (ja, dat kan in water!). Hierdoor ontstaat er een blauwe flits, een soort "sonische knal" maar dan met licht (Cherenkov-straling).
• De Camera's: Duizenden lichtgevoelige buizen (fotomultipliers) aan de wanden van de tank vangen deze flitsen op.
• Het Filter: De echte uitdaging is dat er veel andere dingen in het water gebeuren die op een protonverval lijken. Denk aan kosmische straling van buitenaf of neutrino's (spookdeeltjes) die uit de ruimte komen en tegen het water slaan. Het is alsof je probeert een fluisterend gesprek te horen in een drukke metro.

De onderzoekers hebben een reeks strenge regels (filters) bedacht om alleen de "echte" verdachten te houden. Ze keken naar:

• Hoeveel lichtflitsen er waren.
• Of de deeltjes eruit zagen als een "bom" (een elektron) of een "stok" (een muon).
• Of er geen extra deeltjes (zoals neutronen) bij waren die het verhaal verwarren.

3. De Resultaten: Niets gevonden, maar wel een record

Na het analyseren van al die data, wat vonden ze?

• Ze zagen één kandidaat voor het eerste type verrotting en één kandidaat voor het tweede type.
• Maar toen keken ze goed naar die twee gevallen. Ze concludeerden dat deze waarschijnlijk gewoon "ruis" waren: normale neutrino's uit de atmosfeer die toevallig precies zo leken als een protonverval. Het was alsof je dacht dat je een spook zag, maar het bleek een schaduw van een boom in de wind te zijn.

Dus, is het proton onsterfelijk?
Niet noodzakelijk, maar we weten nu dat het nog steeds niet verrot is, of in ieder geval niet vaak genoeg om te zien.

4. Waarom is dit belangrijk?

Omdat ze niets vonden, kunnen ze een ondergrens stellen. Ze zeggen: "Als protonen verrotten, dan gebeurt het minder dan één keer per 72.000.000.000.000.000.000.000.000.000 jaar." (Dat is $7,2 \times 10^{33}$ jaar).

Vergelijk dit met de leeftijd van het heelal (ongeveer 14 miljard jaar). Het betekent dat protonen duizenden keren ouder zijn dan het heelal zelf!

De grote prestatie:
Deze nieuwe limiet is 50 keer beter dan wat de vorige generatie onderzoekers (IMB-3) in de jaren '90 kon bereiken. Ze hebben de "naald" in de hooiberg veel scherper kunnen zoeken.

Conclusie

Dit artikel is een verslag van een enorme, geduldige jacht. De onderzoekers hebben een gigantisch waterreservoir gebruikt als een super-sensitieve camera om te zoeken naar het moment dat de bouwstenen van het universum uiteenvallen. Ze vonden het niet, maar door te zeggen "het is hier niet gebeurd", hebben ze de theorieën van de natuurkunde een stuk scherper gemaakt. Het is een bewijs van de kracht van geduld en precisie in de wetenschap: soms is het grootste resultaat het vinden van niets.

Technische samenvatting

Titel en Context

Onderwerp: Zoeken naar protonverval in de modi $p \to e^+\pi^0\pi^0$ en $p \to \mu^+\pi^0\pi^0$.
Experiment: Super-Kamiokande (SK), een 50-kiloton water-Cherenkov detector in Japan.
Dataperiode: Gegevens verzameld tijdens de zuivere water-fases SK-I tot en met SK-V (totaal 0,401 megaton-jaar blootstelling).
Publicatiedatum: April 2026 (voorgesteld in het document).

---

1. Het Probleem en Theoretische Achtergrond

Groot Unificatie-theorieën (GUT's) voorspellen dat baryongetal niet behouden blijft, wat impliceert dat protonen kunnen vervallen. Hoewel de vervalmodi $p \to e^+\pi^0$ en $p \to \mu^+\pi^0$ de meest onderzochte zijn, suggereren theoretische studies dat drie-lichaams vervalprocessen (waarbij twee pionen worden uitgezonden) een vergelijkbare vervalsnelheid kunnen hebben.

• Specifiek wordt voorspeld dat verval naar een geladen anti-lepton ($e^+$ of $\mu^+$) en twee neutrale pionen ($\pi^0\pi^0$) significant kan zijn, mogelijk zelfs dominant via meson-uitwisselingsmechanismen.
• Eerdere zoektochten (bijv. door IMB-3) hadden beperkte gevoeligheid. Dit paper rapporteert de eerste zoektocht naar deze specifieke drie-lichaams modi in Super-Kamiokande.

2. Methodologie

Dataverzameling en Detector

• Detector: Super-Kamiokande bestaat uit een binnenste detector (ID) met 11.129 fotomultiplierbuizen (PMT's) en een buitenste detector (OD) als veto voor kosmische muonen.
• Fases: De analyse omvat data van SK-I (1996-2001) tot SK-V (2019-2020). Elke fase had specifieke upgrades (bijv. meer PMT's in SK-III/IV, QBEE-elektronica in SK-IV/V voor betere elektron-tagging).
• Blootstelling: Totaal 0,401 megaton-jaar.

Simulatie en Achtergrond

• Signaal: Monte Carlo (MC) simulaties voor zowel vrije protonen (waterstof) als gebonden protonen (zuurstofkernen). De simulatie houdt rekening met Fermi-beweging, bindingsenergie en correlaties, evenals de interactie van pionen met de zuurstofkern ($\pi$-FSI) via het NEUT-pakket.
• Achtergrond: De belangrijkste achtergrond komt van atmosferische neutrino's ($\nu_{atm}$) die in de detector interageren. Deze werden gesimuleerd met het Honda-fluxmodel en GEANT3 voor detectorrespons.

Event Selectie Criteria (C1-C7)

Om het signaal te isoleren van de achtergrond, werden de volgende criteria toegepast op "fully contained" (FC) events (alle deeltjes binnen de ID):

1. Fiduciale Volume (FV): Het reconstrueerde vertex moet minstens 2 meter van de wand verwijderd zijn (22,5 kiloton doelwitmassa).
2. Energie: Zichtbare energie > 30 MeV.
3. Ringtelling: 3, 4 of 5 Cherenkov-ringen.
4. Deeltjesidentificatie:
   • Voor $p \to e^+\pi^0\pi^0$: Alle ringen moeten "showering" zijn (elektronachtig).
   • Voor $p \to \mu^+\pi^0\pi^0$: Minstens één ring moet "non-showering" zijn (muonachtig).
5. Michel-electron tagging: Geen Michel-electrons voor het elektron-kanal; precies één voor het muon-kanal (gebaseerd op muonverval).
6. Neutron tagging (SK-IV/V): Geen gelabelde neutronen (gebruikt om achtergrond te onderdrukken).
7. Kinematische cuts:
   • Invariante massa: 800 - 1050 MeV/$c^2$.
   • Totale impuls: < 200 MeV/$c$.

Opmerking: In tegenstelling tot eerdere analyses die een "twee-doos" methode gebruikten, werd hier een "single-box" methode toegepast vanwege de bredere impulsverdeling bij drie-lichaams verval.

3. Belangrijkste Resultaten

• Gevonden Kandidaten:

  • $p \to e^+\pi^0\pi^0$: 1 kandidaat gevonden (in SK-II).
  • $p \to \mu^+\pi^0\pi^0$: 1 kandidaat gevonden (in SK-IV).

• Vergelijking met Achtergrond:

  • Het verwachte aantal atmosferische neutrino-achtergrondevents was 0,49 voor het elektron-kanal en 0,90 voor het muon-kanal.
  • De waargenomen events zijn consistent met de verwachte achtergrond (Poisson-kans op waarneming van $\ge$ 1 event is respectievelijk 38,7% en 59,4%).
  • Er is geen significant overschot aan events gevonden dat wijst op protonverval.

• Levensduurgrenzen (90% betrouwbaarheidsniveau):
  Omdat geen significant signaal werd gevonden, werden ondergrenzen voor de partiële levensduur ($\tau/B$) berekend:

  • $\tau/B(p \to e^+\pi^0\pi^0) > 7,2 \times 10^{33}$ jaar.
  • $\tau/B(p \to \mu^+\pi^0\pi^0) > 4,5 \times 10^{33}$ jaar.

• Systematische Onzekerheden:
  De belangrijkste bronnen van systematische onzekerheid waren:

  • Voor het signaal: $\pi$-FSI (pion-interacties in de kern) en detector-resolutie.
  • Voor de achtergrond: Neutrinoflux, interactiemodellen en energie-schaal.
    De totale systematische onzekerheid voor de achtergrond was ongeveer 44% voor het elektron-kanal en 28% voor het muon-kanal.

4. Bijdragen en Betekenis

• Eerste Zoektocht: Dit is de eerste systematische zoektocht naar deze specifieke drie-lichaams vervalmodi in Super-Kamiokande.
• Verbeterde Gevoeligheid: De nieuwe grenzen zijn meer dan een orde van grootte (ongeveer 50 keer) strenger dan de eerdere resultaten van het IMB-3 experiment.
• Theoretische Implicatie: De resultaten sluiten bepaalde theoretische modellen uit die voorspellen dat deze drie-lichaams vervalmodi dominant zouden zijn ten opzichte van de standaard twee-lichaams vervalmodi ($p \to e^+\pi^0$).
• Technische Vooruitgang: De analyse demonstreert de effectiviteit van de verbeterde elektronica (QBEE) en neutron-tagging in SK-IV en SK-V om de achtergrond met meer dan 50% te reduceren ten opzichte van eerdere fasen.

Conclusie

Het paper concludeert dat er geen bewijs is voor protonverval in de modi $p \to e^+\pi^0\pi^0$ en $p \to \mu^+\pi^0\pi^0$ binnen de huidige data. De vastgestelde ondergrenzen voor de levensduur zijn de strengste ter wereld voor deze kanalen en vormen een belangrijke beperking voor GUT-modellen die drie-lichaams verval voorspellen. De zoektocht gaat door met toekomstige data (SK-VI en verder), nu de detector is uitgerust met Gadolinium (SK-Gd) voor nog betere neutron-detectie.