Распад протона — невозможность 2,5 класса
Среди фундаментальных физических проблем особое место занимает самопроизвольный распад протона — явление гипотетическое и до сих пор не наблюдавшееся, реальность которого, однако, не удается не только подтвердить, но и опровергнуть. Протон является самой распространенной барионной частицей во Вселенной, а также самым распространенным носителем положительного заряда. Тем не менее, протон не является подлинно элементарной частицей, то есть, разложим на более легкие частицы. Гипотетически это может означать, что протон обладает некоторым невероятно долгим периодом полураспада, поэтому в далеком будущем вся материя, состоящая из протонов, развоплотится в фотоны и другие мелкие элементарные частицы (в частности, мезоны). Еще в 1970-е годы будущий нобелевский лауреат Стивен Вайнберг (1933–2021) указывал, что не существует физического закона, который бы принципиально исключал распад протона. Тем не менее, все эксперименты, поставленные по сей день, не зафиксировали ни одного распада протона. Об этих экспериментах, их контексте и подоплеке пойдет речь под катом.
Предыстория. Распад нейтрона
Уже в конце 1940-х годов появились ядерные реакторы, в достаточном количестве порождавшие свободные нейтроны. Оказалось, что нейтрон (который немного тяжелее протона) в атоме остается стабилен в течение неограниченного времени, а вот вне атома распадается на протон, электрон и антинейтрино, разлетающиеся в разные стороны. Период полураспада свободных нейтронов составляет около 613,9 секунд. Данный процесс был предсказан Фредериком Жолио-Кюри в 1934 году, а экспериментально подтвержден в 1948–1950 годах А. Снеллом, Дж. Робсоном и П.Е. Спиваком. Свободный нейтрон распадается на протон, электрон и антинейтрино, то есть, строго говоря, является самым доступным и предсказуемым известным источником антивещества — пусть и этого антивещества от него ничтожно мало. Именно эти свойства нейтрона позволяют соотнести его с «нейтронием» — легчайшим газом, который Менделеев планировал расположить где-то на самой вершине своей таблицы.
Свободный протон, в отличие от свободного нейтрона — совершенно обычная частица, встречается во Вселенной повсюду. Большая часть обычной (нетемной) материи в галактиках и вне них состоит из плазмы водорода — ионизированного газа, состоящего из голых протонов и отделившихся от них электронов. Если бы протоны были нестабильны, подобно нейтронам, то вся плазма быстро бы исчезла.
Но этого не наблюдается. Протоны, как в составе атомов, так и в свободном виде, совершенно стабильны. До сих пор не зафиксировано ни одного самопроизвольного распада протона. При этом известно, что протон может расщепляться под действием космических лучей. Именно поэтому распад протона невозможно достоверно изучать на поверхности Земли или в атмосфере — события распада мы зафиксируем, но они будут спровоцированы. Для таких экспериментов нужны детекторы, расположенные глубоко под землей, и об этом мы также поговорим ниже.
Важнейшую роль в фундаментальной физике играют законы сохранения: в частности, закон сохранения массы, закон сохранения энергии и закон сохранения заряда. Суммарный электрический заряд Вселенной, по-видимому, равен нулю, и из этого следует, что электроны также должны обладать абсолютной стабильностью. Не известно никаких отрицательно заряженных частиц, которые были бы легче электрона.
Но электрон является подлинно элементарной частицей, а протон и нейтрон состоят из кварков, то есть, обладают делимостью. Протон примерно в 2000 раз массивнее электрона, и его потенциальный самопроизвольный распад может происходить несколькими способами. И, пусть нерадиоактивные атомы стабильны, не существует «закона сохранения протона».
Теории великого объединения
Тем важнее, что распад протона — желательное, если не необходимое условие многих «теорий великого объединения» (GUT, Grand Unification Theories). Это различные теории, предполагающие единообразное описание всех фундаментальных физических взаимодействий: сильного, слабого, электромагнитного и гравитационного.
Слева направо, против часовой стрелки: гравитационное взаимодействие, электромагнитное взаимодействие, слабое взаимодействие, сильное взаимодействие https://geektech.me/they-support-the-universe-how-the-four-main-forces-of-nature-work/
В течение последних четырех десятилетий физики предлагали разнообразные GUT-модели, описывающие исходные симметричные наборы частиц.
Идея создать теорию великого объединения всемирных сил была впервые высказана в 1974 году Шелдоном Глэшоу (род. 1932, Нобелевская премия по физике 1979) и Говардом Джорджи (род. 1947). Они открыли математические группы симметрий, названные SU (3), SU (2) и U (1), описывающие, соответственно, сильные, слабые и электромагнитные силы. Вместе они образуют Стандартную Модель физики частиц и теоретически могут быть встроены в единую, еще более обширную группу симметрий SU (5), которая одновременно описывала бы все ныне известные элементарные частицы. Об открытии такой группы симметрий преждевременно объявили все те же Глэшоу и Джорджи, о чем будет подробнее сказано ближе к завершению статьи.
Какая-то из теорий Великого Объединения верна, и потенциально она позволила бы не только математику, лежащую в основе законов природы, но и разгадать до сих пор необъясненный феномен крайней редкости антивещества (по сравнению с веществом), открыть новые элементарные частицы, понять, почему гравитация настолько слабее прочих взаимодействий. Теме асимметрии вещества и антивещества я еще надеюсь посвятить отдельный пост, а об интересных теориях по поводу слабости гравитации (например, здесь упоминал, что гравитацию считают слабой, так как она может быть равномерно распределена не по трем, а по большему количеству измерений). Один из феноменов, которые не поддаются объяснению современной физикой — это наличие массы у нейтрино, а также незыблемая стабильность протона.
Протон и нейтрон не являются подлинно элементарными, так как состоят из кварков. Кварки невычленимы из протона или нейтрона, но согласно всем GUT-теориям, принципиально кварки аналогичны по свойствам частицам-лептонам. К лептонам относятся, в частности, электрон и мюоны. Но электроны в свободном состоянии существуют, а кварки — нет. Протоны и нейтроны — представители более тяжелых частиц, барионов. Вот кварковый состав протона и нейтрона (u — это «верхний» кварк, up, d — «нижний» кварк, down):
Одно из центральных положений всех GUT-теорий постулирует, что, по причине квантовой неопределенности и связанной с ней фундаментальной симметрии, кварки и антикварки должны иногда спонтанно превращаться в другие лептоны и антилептоны. Если подобное событие произойдет внутри протона, протон немедленно распадется, что будет сопровождаться вполне заметной вспышкой излучения. То же касается и нейтронов, но именно с целью зафиксировать распад протона был в 1982 году запущен проект «Камиоканде». Камиока — это регион в Японии, где на месте глубокой кадмиевой шахты удалось оборудовать и снабдить детекторами грандиозный резервуар: 40-метровый бак, в котором находится 50 000 тонн очень чистой воды.
Идея проверить, распадается ли протон самопроизвольно, была связана с природой протона как такового, природой полураспада и с законом больших чисел. Период полураспада — это время, за которое распадается половина всех атомов конкретного изотопа. Поскольку скорость полураспада постоянна, время жизни изотопа можно вычислить, зафиксировав хотя бы несколько событий распада и экстраполировав этот процесс. Моль — это основная единица для измерения количества вещества. В одном моле любого вещества содержится примерно 1024 молекул этого вещества, один моль умещается в полной горсти. В качестве эталона вычисления молярной массы (массы 1 моль вещества) обычно приводится углерод: 1 моль атомов углерода весит примерно 12 граммов. Если взять 1 моль заведомо нестабильных ядер, то можно быть уверенным, что рано или поздно в нем произойдет 1024 актов деления ядра — и по количеству таких актов в единицу времени рассчитать, когда изотоп распадется целиком. Если же отслеживать акты деления не в 1 моль, а в (значительно) большем количестве вещества, то можно найти изотопы с периодами полураспада, значительно превышающими возраст Вселенной. Для этого применяется формула
где T — время жизни изотопа, N — общее количество атомов, n — количество актов распада, зафиксированное за время t. Соответственно, если мы положили в детектор 1000 атомов изотопа и за год зафиксировали 10 актов распада, то период полного распада этого изотопа составляет 100 лет, а период полураспада — 50 лет.
Именно таким образом удалось вычислить время жизни самых прочных радиоактивных изотопов. Мне в этом ряду наиболее замечательным кажется открытие радиоактивности висмута-209 в 2003 году. Крайне медленный альфа-распад этого изотопа составляет (1,9 ± 0,2)⋅1019 лет, тогда как нынешний возраст Вселенной — около 13,9 миллиардов лет, на 9 порядков меньше. Соответственно, последним элементом в таблице Менделеева, имеющим стабильный изотоп, стал считаться свинец, расположенный на клетку левее висмута. Еще дольше просуществует изотоп теллур-128, чей период полураспада 2·1024 лет на 12 порядков больше возраста Вселенной.
Поскольку в одной молекуле воды содержится два протона (два атома водорода), в 50 тоннах воды в резервуаре Камиоканде находится 6·1033 отдельных протонов. С 1982 года ни один из них не распался. Таким образом, даже нижняя граница возможного периода полураспада протона составляет 1034 лет, а потенциально возможная — 1037 лет. Сейчас подлинно неделимыми частицами можно считать только электрон, фотон и нейтрино. При распаде электрона нарушался бы закон сохранения заряда (отрицательного заряда становилось бы меньше), фотон не может распадаться, поскольку не имеет массы, а нейтрино — так как обладает полуцелым спином. Но, теоретически, нейтрино должны аннигилировать с антинейтрино с образованием фотонов. Также потенциально неделимой частицей с нулевой массой является гравитон, пока не обнаруженный квант гравитационных волн (но он должен существовать, поскольку существуют гравитационные волны). Протон более чем в 2000 раз тяжелее всех этих частиц, поэтому его распад мог бы происходить примерно по такому принципу (с официального сайта лаборатории Super-Kamiokande):
Протон состоит из 3 кварков. Здесь через p0 обозначен пи-мезон, состоящий из 2 кварков и с вероятностью 98,798% мгновенно распадающийся на два кванта гамма-излучения. Третий кварк, присутствовавший в протоне, улетает в виде лептона, испуская при этом излучение Вавилова-Черенкова. По мнению команды Камиоканде, таким лептоном должен быть позитрон, положительно заряженная античастица, зеркальная электрону. Таким образом, распад протона позволял бы получать заряженное антивещество, которое можно было бы удерживать магнитным полем и уберегать от неконтролируемой аннигиляции с обычным веществом.
Но вернемся к теориям великого объединения
По образцу SU (3), SU (2) и U (1) Глэшоу и Джорджи также построили модель SU (5) и пришли к выводу, что эта теория предполагает наличие целых 12 дополнительных носителей взаимодействий (плюс 12 наблюдаемых сегодня), и эти дополнительные носители (частицы) провоцировали бы распад протона. Когда SU (5) распалась на три взаимодействия (за исключением гравитации), наблюдаемых сегодня, остальные 12 носителей не исчезли, а всего лишь стали очень слабыми. По мысли Глэшоу и Джорджи, очень редко эти призрачные носители взаимодействий все-таки должны проявляться и превращать кварк в лептон. Джорджи с коллегами вычислили, что, если модель SU (5) верна, то типичный протон должен претерпеть распад когда-нибудь за 1029 лет.
Этот прогноз был независимо опровергнут в 1980-е в рамках эксперимента на детекторе IMB в США и Kamiokande в Японии. В 1996 году новый детектор Super-K, пришедший на смену Kamiokande, окончательно исключил срок жизни протона, укладывающийся в первую версию теории SU (5).
Итоги и последствия
Грандиозный детектор Super-K практически не стоял без дела. Оказалось, что его конструкция (подземное расположение + много чистой воды + высокоточные детекторы) превращает его в превосходный инструмент для регистрации нейтрино. Поскольку нейтрино свободно проходят через любую толщу материи, на такой глубине в детектор не может попасть более никаких частиц извне, а плотная сетка детекторов позволяет уловить нейтрино в количестве, достаточном для нужд теоретической физики. Так, в 2000 году Super-Kamiokande показал, что количество дневных и ночных нейтрино заметно отличается. А в конце января 2002 года в той же шахте начал работу новый детектор KamLAND, применяемый для изучения нейтринных осцилляций.
После того, как простейший вариант SU (5), предложенный Джорджи, не подтвердился, сами поиски SU (5) не прекратились — ведь, по сути, на ее роль подойдет любая теория, которая непротиворечиво описывала бы все известные элементарные частицы. В новые варианты теории вносились новые параметры и переменные, при учете которых распад протонов удалось бы «значительно замедлить». Так в физике появилась теория «суперсимметрии», которая, однако, требует удвоить количество элементарных частиц, и пока в реальности также не подтверждается. Более того, в рамках SU (5), учитывающей суперсимметрию, распад протона должен происходить с образованием некой неизвестной виртуальной частицы, масса которой составила бы колоссальные 1,78⋅10−9 грамма. Эта величина сравнима с массой 1000 бактерий.
Итак, в классификации невозможностей, сформулированной Митио Каку в знаменитой книге «Физика невозможного», распад протона занимает странное промежуточное положение между 2 и 3 классом. Мы не знаем физического закона, который подтверждал бы или опровергал бы потенциальную возможность спонтанного распада протона. С другой стороны, современная физика в принципе серьезно достроится, если в ней удастся найти место распаду протона. Распад протона позволил бы прояснить ситуацию с крайне неравным содержанием вещества и антивещества во Вселенной, а также стал бы важнейшей деталью на пути к созданию теории великого объединения и «новой физики», путь к которой может лежать через Большой Адронный Коллайдер. Поиски разгадки продолжаются.
