質子衰變（Proton decay），在粒子物理學上，是一個假設的放射性衰變，這假設預言了質子在衰變的時候，會變成更輕的次原子粒子，通常是中性π介子和正電子。它可能關乎宇宙三大力的統一和宇宙誕生的秘密。
圖片來源：The Particle Adventure
已知，我們的宇宙中有四大基本作用力，分别是強相互作用力，弱相互作用力，電磁力和萬有引力，弱力和電磁力已經可以統一為同一種力。而1974 年，哈佛大學的 （Howard Georgi 與 Sheldon Glashow） 提出的大統一理論，後來被稱為最小 SU（5） 模型。該理論認為，強、弱、電磁三種相互作用力在非常高的能量之下也會成為同一種相互作用力。它同時預言，質子可以通過某質量極大的中間粒子進行衰變。隻不過在實驗室能量下，質子通過該粒子衰變的可能性極小，因而質子的壽命非常長。最小 SU（5） 模型預言質子的壽命可以長達 10^30 年，其他一些更為複雜的大統一理論則可以給出更長的質子壽命。當然，同樣的衰變機制也适用于中子，在大統一理論中，束縛于原子核中的中子與質子的壽命相當。
至2017 年，日本超級神岡探測器已經将質子衰變為正電子及 π 介子的壽命下限提高到 1.6×10^34 年。但在這之前，其他類型的大統一理論也相繼被提出，例如Flipped SU（5） 模型以及 SO（10） 模型等等，它們可以給出長達 10^35 年的質子壽命，長于目前實驗給出的下限值。因此，這些理論模型仍需實驗的進一步檢驗。
超級神岡探測器内部
所以質子衰變仍然是一個懸而未決的謎題。
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