质子衰变（英语：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。质子衰变从未被证实，至今仍没有证据显示质子衰变的可能。在标准模型理论中，质子是重子的一种，理论上它是稳定的，因质子的重子数是大致守恒。即质子不会以微扰的形式衰变成其他粒子，因为质子已经是最轻的（因而也是最低能量的）重子。一些超出标准模型理论范畴的大统一理论（GUTs）明确地否定了重子数的对称性，允许质子经由X玻色子而衰变。质子衰变是各式提议的 GUTs 中少数可观察的一种。现时，所有试图观察这个衰变的实验无一成功。

有关实验

质子衰变是各式提议的 GUTs 中少数可观察影响的一种，其他主要是磁单极。两者自1980年代初成为实验物理学中的主要研究焦点。人们进行了一系列的实验，但截至目前为止，没有一个得到质子衰变的确实证据。其中一个大统一理论——弱电统一理论的预言是，构成通常物质的大部分质量的质子能自发衰变成诸如反电子之类更轻的粒子。其原因在于，在大统一能量下，夸克和反电子之间没有本质的不同。正常情况下一个质子中的三个夸克没有足够能量转变成反电子，由于不确定性原理意味着质子中夸克的能量不可能严格不变，所以，其中一个夸克能非常偶然地获得足够能量进行这种转变，这样质子就要衰变。夸克要得到足够能量的概率是如此之低，以至于至少要等100万亿亿亿年（10^30年--10^32年）才能有一次。这比宇宙从大爆炸以来的年龄（大约100亿年，10^10年）要长得多了。因此，人们会认为不可能在实验上检测到质子自发衰变的可能性。但是，我们可以观察包含极大数量质子的大量物质，以增加检测衰变的机会。（譬如，如果观察的物件含有10^31个质子，按照最简单的 GUT，可以预料在一年内应能看到多于一次的质子衰变。）

质子衰变曾有一段时期是实验物理学中一个非常触目的领域，但目前为止，所有试图观察这个衰变的实验无一成功。有一个实验是用了8千吨水在美国俄亥俄州的莫尔顿盐矿里进行的（为了避免其他因宇宙射线引起的会和质子衰变相混淆的事件发生）。由于在实验中没有观测到自发的质子衰变，因此可以估算出，可能的质子寿命至少应为1千万亿亿亿年（10^31年）。这比简单的大统一理论所预言的寿命更长。然而，一些更精致更复杂的大统一理论预言的寿命比这更长，因此需要用更灵敏的手段对甚至更大量的物质进行检验。近来日本利用超级神冈探测器在水中探测契忍可夫辐射的实验中，指出如果质子完全衰变，半衰期必定至少长达 10^34 年。一篇2015年的分析指出，质子的正子衰变的半衰期的下限至少是1.67×10^34年；而相似地，一篇2012年的分析指出，质子的反渺子衰变的半衰期的下限至少是1.08×10^34，这些数据都已接近超对称理论所预测的10^34–10^36年。作为下一代探测器的超巨型神冈探测器（Hyper-Kamiokande，可缩写为HK）预计可有超级神冈探测器五到十倍的灵敏度。

参考资料