质子衰变（Proton decay），在粒子物理学上，是一个假设的放射性衰变，这假设预言了质子在衰变的时候，会变成更轻的次原子粒子，通常是中性π介子和正电子。它可能关乎宇宙三大力的统一和宇宙诞生的秘密。
图片来源：The Particle Adventure
已知，我们的宇宙中有四大基本作用力，分别是强相互作用力，弱相互作用力，电磁力和万有引力，弱力和电磁力已经可以统一为同一种力。而1974 年，哈佛大学的 （Howard Georgi 与 Sheldon Glashow） 提出的大统一理论，后来被称为最小 SU（5） 模型。该理论认为，强、弱、电磁三种相互作用力在非常高的能量之下也会成为同一种相互作用力。它同时预言，质子可以通过某质量极大的中间粒子进行衰变。只不过在实验室能量下，质子通过该粒子衰变的可能性极小，因而质子的寿命非常长。最小 SU（5） 模型预言质子的寿命可以长达 10^30 年，其他一些更为复杂的大统一理论则可以给出更长的质子寿命。当然，同样的衰变机制也适用于中子，在大统一理论中，束缚于原子核中的中子与质子的寿命相当。
至2017 年，日本超级神冈探测器已经将质子衰变为正电子及 π 介子的寿命下限提高到 1.6×10^34 年。但在这之前，其他类型的大统一理论也相继被提出，例如Flipped SU（5） 模型以及 SO（10） 模型等等，它们可以给出长达 10^35 年的质子寿命，长于目前实验给出的下限值。因此，这些理论模型仍需实验的进一步检验。
超级神冈探测器内部
所以质子衰变仍然是一个悬而未决的谜题。
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