质子衰变是现代物理领域中一个引人入胜且基础的议题之一。它与中子和电子一起构成原子的核心组成部分，这些粒子稳定性对物质存在至关重要。已知中子在原子核外可发生衰变，但质子似乎稳定得多。尽管如此，一些理论模型暗示质子可能并非永恒不变。
质子衰变这一概念最早于1967年由安德烈·萨哈罗夫提出。依据粒子物理学的标准模型，质子应为稳定的，因为守恒了重子数。这意味着在正常情况下，质子不会衰变，因为它们是最轻的重子。然而，一些超出标准模型的理论，预测质子最终会衰变。这些理论表明，在极高能量下，自然界的力会统一，重子数守恒可能被打破。这种违反将允许质子衰变成更轻的粒子。
预测质子衰变的理论一般属于大统一理论（GUTs）的范畴。这些理论提出，在高能量水平下，标准模型的三种基本力（电磁、弱核和强核力）会合并为一种力。这种统一意味着在标准模型下稳定的质子可以通过违反重子数守恒的过程衰变。
最著名的大统一理论之一是SU(5)模型，该模型预测质子可以衰变成正电子和中性π介子。另一个重要模型是SO(10)理论，它扩展了SU(5)模型并包括右手中微子，可能解释了自然中观察到的中微子的小质量。尽管这些模型预测了不同的衰变通道和质子的寿命，但都表明质子最终会衰变。
超对称性（SUSY）是另一种预测质子衰变的理论框架。SUSY假设标准模型中的每个粒子都有一个具有不同自旋特性的超级伙伴。在SUSY模型中，质子可通过涉及超对称粒子的相互作用而衰变，导致不同的衰变通道和寿命。
弦理论则提出基本粒子为一维“弦”而非点状粒子，并同样预测质子会发生衰变。在弦理论中，力量的统一发生在极高的能量尺度上，并可能存在额外的空间维度。这些额外维度可能影响质子的衰变率和通道。虽然弦理论仍然处于高度推测阶段，但它为探索质子衰变和其他超出标准模型的现象提供了丰富的框架。
量子引力理论旨在将广义相对论和量子力学统一起来，并对质子衰变产生影响。一些模型建议质子可以通过微观黑洞过程或其它量子引力效应而衰变。尽管这些理论还处于初期阶段，它们为理解质子衰变和物质的命运提供了有趣的视角。
如果确实存在质子衰变，那么它将对我们对宇宙的理解产生重大影响。因为物质的稳定性依赖于质子的稳定性，所以质子的衰变意味着所有物质最终都是不稳定的，尽管这个时间跨度远超当前宇宙的年龄。这也将为GUTs提供支持，有助于统一自然界的基本力量。
此外，质子衰变可以帮助解释宇宙中的物质-反物质不对称性。根据宇宙学理论，大爆炸应该产生等量的物质和反物质。然而，可观测的宇宙主要由物质组成。质子衰变及其相关过程可以为这种不对称性提供机制，帮助我们理解为什么宇宙主要由物质构成。
粒子物理学的标准模型在许多方面取得了显著成功，但它未涵盖引力、暗物质或暗能量等问题，同时假定质子是稳定的。发现质子衰变将证明标准模型并不完整，需要新的物理学来解释这一现象。这可能推动发展一个更全面的理论，以统一所有基本的力量和粒子。
尽管有强烈的理论动机，但至今尚未观测到质子的衰变。探测质子衰变的实验需要构建巨大的探测器，以便捕捉GUTs预言的罕见事件。例如日本的超级神冈探测器，它使用一个巨大的水箱，并围绕其设置敏感的探测器来监测质子衰变。尽管目前尚未发现证据支持质子衰变，但已将质子的半衰期下限设定为大约1.67✖10^{34}年。
探测质子衰变的一大挑战在于区分真实的衰变事件和背景噪声。宇宙射线、天然放射性等因素都可能产生与质子衰变相似的信号。为了减少和识别背景噪声，先进的探测器采用各种技术，如地下深处的位置、有效的屏蔽措施以及复杂的数据分析方法。
为了提高探测到质子衰变的机会，一些实验采用了不同类型的材料和探测方法组合多个探测器。这种方法有助于交叉验证潜在的衰变事件并减少假阳性的可能性。例如，结合水切伦科夫探测器和液氩探测器能够互补地提供数据，从而提高整体灵敏度。