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欢乐彩票被骗-质子的生命,是有限的吗?
2019-09-15 05:33:36


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(Hermann Weyl)为了解释物质的稳定性,提出了重子数守恒原理欢乐彩票被骗-质子的生命,是有限的吗?。于1932年发现的中子和质子都属于重子,它们的重子数为+1,它们的反粒子的重子数为-1,电子的重子数则为0。举个例子,中子可以衰变为一个质子、一个电子和一个反中微子,在这个过程中总重子数是不变的。

○ 在原子核中的中子是非常稳定的,但自由中欢乐彩票被骗-质子的生命,是有限的吗?子在大约15分钟后就会发生衰欢乐彩票被骗-质子的生命,是有限的吗?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。那么,电子呢?根据能量守恒和电荷守恒,电子可能永远是稳定存在的:就目前所知,没有带负电荷的低质量粒子存在。

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(电子的反物质版本)、正介子和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1016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。1016即1后面跟着16个0,作为比较,宇宙的年龄只有138亿年,大约是1的后面跟着10个0。

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1020年。随后,Georgy Flerov很快将这个数字扩展为大于31023年。

Goldhaber还与Fred ReinesClyde 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(PMT),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,这就表明自由欢乐彩票被骗-质子的生命,是有限的吗?质子(指那些没有被束缚在原子核内的质子)的寿命一定比1021年更长,而束缚核子的寿命则必须大于1022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1030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东方卫视直播在线观看粒子-反粒子不对称性的条件(这种不对称性是现代宇宙的一个重要组成部分,也是行星、恒星和星系等结构形成的主要驱动力)。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(另外两个条件是偏离热平衡,以及存在破坏C对称和CP对称的相互作用)。能违反重子数守欢乐彩票被骗-质子的生命,是有限的吗?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1050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,物理欢乐彩票被骗-质子的生命,是有限的吗?学家提出了大统一理论(GUT),它不仅是要统一强核力弱核力电磁力(没有包括引力是因为我们还没有发展出一个引力的量子理论),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 GeorgiSheldon Glashow的最小SU(5)模型预测了,在10311年的时间区间内,质子会衰变成正电子和中性介子(p → e+0),这与可以观测到的下限1030年相差并不远。


○ 质子(proton)衰变成正电子(positron)和中性介子(⁰),⁰会立即衰变成两个光子(gamma)。| 图片来源:[2]

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1030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。1030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1032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+0的时间设置了最高下限:1.6 1034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。| 图片来源:DUNE

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1036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1035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。

参考来源:

[1] https://cerncourier.com/the-pursuit-of-proton-decay/

[2] http://www-sk.icrr.u-tokyo.ac.jp/sk/sk/pdecay-e.html