质子的生命,是有限的吗?

作者: 二宗主

来源: https://cerncourier.com/the-pursuit-of-proton-decay/

发布日期: 2019-06-15

本文探讨了质子是否具有有限寿命的问题,回顾了物理学家对质子稳定性的认识和实验探索,介绍了大统一理论对质子衰变的预测,以及当前和未来的实验如何试图探测质子的衰变。

有一天,我们的生命会走到尽头,我们生活的这颗蓝色星球也将变得不再适合居住,甚至连太阳、银河系也终将毁灭。那些我们曾认为是永恒的存在,都有着各自的生命周期。但对于构成万物的粒子——质子而言,生命是否也是有限的?1919年,当卢瑟福宣布发现质子时,人们唯一知道的物质的基本组成粒子只有电子。当时,物理学家对质子的认识是,质子不可能在不违反电荷守恒的情况下发生衰变。

十年后,赫尔曼·威尔为了解释物质的稳定性,提出了重子数守恒原理。在原子核中的中子是非常稳定的,但自由中子在大约15分钟后就会发生衰变,衰变前后的重子数都为+1。目前,我们还没有发现质子会衰变的证据。如果重子数是一个绝对守恒的量子数,那么质子作为最轻的一个重子,它将是绝对稳定的。即使在发现正电子、正μ介子和π介子这些比质子都轻的粒子之后,仍然没有发现任何可以怀疑质子的稳定性的理由。

物理学家Maurice Goldhaber曾说过,如果质子的寿命小于10^16年,那么我们应该能从骨头里感受到它们,因为我们的身体将会具有致命的放射性。1954年,Goldhaber对他先前的估测进行了改进。他认为如果失去一个核子将会使原子核处于激发态,从而有可能导致裂变,他用232Th来计算束缚的核子的寿命,得到的结果为大于10^20年。

随后,Georgy Flerov很快将这个数字扩展为大于3×10^23年。Goldhaber还与Fred Reines和Clyde Cowan合作,测试了直接观测到质子衰变的可能性。他们的实验包含了一个500升的荧光液体,液体的周围环绕着90个光电倍增管,这套设备本来是设计来检测反应堆中微子的。

但他们没有发现任何信号,这就表明自由质子的寿命一定比10^21年更长,而束缚核子的寿命则必须大于10^22年。到了1974年,在一项用20吨荧光液体进行的宇宙射线实验中,Reines和他的其他同事将质子的寿命推到了10^30年以上。与此同时,在1966年,Andrei Sakharov提出了一些可以观测到宇宙中的粒子-反粒子不对称性的条件。

其中之一就是重子数守恒只是近似的,而且是可以在早期宇宙的膨胀阶段被违反的。能违反重子数守恒的相互作用可以使质子发生衰变,但由Sakharov提出的质子寿命可能大于10^50年,这样的结果多少会让实验物理学家有点心灰意冷。但到了1974年前后,事情开始有了转折。当时,物理学家提出了大统一理论,它不仅是要统一强核力、弱核力、电磁力,而且还要把夸克和轻子紧密地联系在一起。GUT允许重子数不守恒。

尤其是Howard Georgi和Sheldon Glashow的最小SU(5)模型预测了,在10^31±1年的时间内,质子会衰变成正电子和中性π介子,这与可以观测到的下限10^30年相差并不远。质子衰变成正电子和中性π介子,π⁰会立即衰变成两个光子。看到这里,你肯定早有疑问,宇宙的年龄才138亿年,而质子的寿命却高达10^30年,那么在我们有生之年怎么可能测量的到质子的衰变呢?

事实上,我们没有必要等待一个特定、选定的质子发生衰变。10^30年的估算代表的质子的半衰期:任何物质样本中有一半的质子都有可能衰变的时间。所以,寻找质子衰变的关键就在于需要聚集大量的质子,这就会增加我们探测到质子衰变的几率。Howard和Sheldon的模型使实验物理学家有了继续寻找的动力。

到了1981年,7个这样的实验被安装在地下深处,它们要么使用完全活跃的切伦科夫水探测器,要么使用取样测热计来监测大量的质子。IMB探测器和超级神冈中微子探测实验都是寻找质子衰变的重要实验。但这些实验将质子寿命的下限提高到了10^32年,降低了最小SU(5)大统一规范理论的可行性。在1987年,IMB和神冈探测器二代因探测到了来自超新星SN1987a释放的中微子而名声大噪。

神冈探测器二代早已经在研究太阳中微子和大气中微子,但它的继任者——超级神冈探测器对大气和太阳中微子振荡进行了开创性的观测。目前,超级神冈对质子衰变成e+π0的时间设置了最高下限:1.6×10^34年。DUNE的目标之一是寻找质子的衰变迹象,这或许可以揭示物质的稳定性和大统一力之间的关系。现在,大统一理论的理论发展仍在继续,一些理论模型已将质子的寿命提高到10^36年左右。

未来的大型实验,比如DUNE、Hyper-K和JUNO,都把寻找质子衰变当成目标之一,有可能将质子的寿命提高到10^35年。质子会发生衰变吗?或者说我们有可能回答这个问题吗?我们希望未来的这些实验至少能够给我们带来一丝线索。

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