Старше Вселенной

Распад протона — гипотетическая форма радиоактивного распада, приведшая к очень интересным экспериментам. В результате распада протон должен «расколоться» на более лёгкие субатомные частицы, например (нейтральный) пион и позитрон, но это явление до сих пор не наблюдалось. Возможность доказать его реальность вызывает нарастающий интерес всвязи с перспективами так называемой «теории великого объединения» (GUT: Grand Unified Theory).

Протон долгое время считался абсолютно стабильной частицей, хотя для такой уверенности никогда не было серьёзных оснований, так как, по-видимому, не существует фундаментального закона физики, запрещающего его распад^[2].

Возможность распада протона вызывает интерес физиков ещё с 30-х годов XX века, но в последние десятилетия эта проблема приобрела особенно большое значение. Несмотря на то, что мнение об абсолютной стабильности протона всегда покоилось на шатких теоретических предпосылках, этот вопрос мало привлекал внимание до 1974 года, пока не был разработан ряд теоретических моделей великого объединения (GUT), в которых распад протона не только разрешён, но и вполне определённо предсказывается.

Первыми такую попытку осуществили в 1973 году Абдус Салам и Джогеш Пати (Imperial College, Лондон). Несколько месяцев спустя гарвардские физики-теоретики Шелдон Глэшоу и Говард Джорджи изложили собственную версию GUT, предложив первые модели расчёта времени жизни протона.

Получающиеся в самых простых вариантах этих моделей значения времени жизни на много порядков превосходят возраст Вселенной (примерно 10¹⁰ лет). Минимальная SU(5)-модель предсказывала время жизни протона при распаде на пион и позитрон порядка 10³¹ лет. Эксперименты, выполненные к 1990 г. (Kamiokande и ряд других), показали, что время жизни протона при распаде по этому каналу превосходит эту величину. В результате минимальная SU(5)-модель великого объединения была «закрыта». На сегодня минимальное время жизни протона при распаде по этому каналу составляет 8,2·10³³ лет (эксперимент Super-Kamiokande, см. ниже).

Следует отметить, что хотя спонтанный распад протона и не запрещён законом сохранения энергии, вероятность этого процесса очень мала из-за огромной массы промежуточной виртуальной частицы, которая должна при этом рождаться. Например, минимальная SU(5)-модель предсказывает появление в этом случае промежуточной виртуальной частицы с массой 10¹⁵ ГэВ (для сравнения: масса атома водорода чуть меньше 10³ ГэВ).

Экспериментальный поиск

Поскольку распад протона — случайный процесс, было предложено в качестве объекта наблюдения выбрать большой объём воды, в одном кубометре которой содержится около 6·10²⁹ нуклонов (из них около половины протонов). Если теория Глэшоу и Джорджи верна, и каждый протон имеет один шанс из ~10³¹ распасться в одном конкретно выбранном году, то теоретически наблюдение распада хотя бы нескольких протонов в многотонной водной мишени в течение года должно быть реальным.

Физики организовали несколько крупномасштабных экспериментов, в ходе которых предполагалось наблюдать распад хотя бы единичных протонов. Поскольку вспышки так называемого черенковского излучения, которые и сигнализируют об образовании новых частиц (в том числе, в результате распада протона), могут быть вызваны космическими лучами, было решено проводить эксперимент глубоко под землёй. Детектор IMB (Irvin-Michigan-Brookhaven) разместился в выработках бывших соляных копей на берегу озера Эри в штате Огайо. Здесь 7000 тонн воды были окружены 2048 фотоумножителями. Параллельно в Японии группа учёных Токийского университета и ряда других научных организаций в подземной лаборатории Камиока создала детектор Камиоканде (Кamiokande — Кamioka Nucleon Decay Experiment), где 3000 тонн воды просматривались 1000 фотоумножителями. Однако к концу 80-х годов ни одного случая распада протона зафиксировано не было. В 1995 году коллаборация Камиоканде построила новый детектор, увеличив массу воды до 50 000 тонн (SuperKamiokande). Наблюдения на этом детекторе продолжаются по сей день, но результат поисков распада протона на достигнутом уровне чувствительности по-прежнему отрицателен, и протон должен распадаться не чаще чем 8,2·10³³ лет. Иными словами, протон стабильнее, чем предсказывала теория SU(5).

Кроме распада на пион и позитрон (текущее ограничение на время жизни по этому каналу, как отмечено выше, составляет 8,2·10³³ лет), выполнялись экспериментальные поиски свыше 60 других вариантов каналов распада. Поскольку предпочтительный канал распада, вообще говоря, неизвестен, устанавливаются также экспериментальные нижние ограничения на время жизни протона независимо от канала распада. Лучшее из них на текущий момент равно 1,1·10²⁶ лет. Нижнее ограничение на время жизни протона при распаде с образованием только «невидимых» частиц (то есть не участвующих в сильном или электромагнитном взаимодействиях, например нейтрино) составляет 2,1·10²⁹ лет. Следует отметить, что распад протона по «невидимым» каналам нарушает законы сохранения электрического заряда.

Хотя ожидается, что времена жизни протона и антипротона одинаковы, были получены экспериментальные минимальные значения времени жизни антипротона. Они значительно уступают ограничениям на время жизни протона: всего лишь 10⁷ лет.

В ряде теорий предсказывается, что протоны могут распадаться реже чем раз в 10³⁴ лет. Для проверки этой гипотезы организован проект LAGUNA с чувствительностью на уровне 10³⁵ лет (т.е. собрано вместе столько протонов, что если протон распадается раз в 10³⁵ лет, то из 10³⁵ протонов, собранных вместе, хотя бы один да распадется в течение нескольких лет).