質子壽命為什麼長（質子也有壽命嗎）

2023-10-07 19:25:16

和世間萬物一樣，質子也有它自己的生命周期。想要探尋質子的生命周期，首先要了解一個概念——衰變，它指的是不穩定的原子核在放射出粒子及能量後變得比較穩定的一個過程。一般我們認為的粒子壽命，就指的是它的衰變周期。

預測的質子衰變模式之一：一個質子衰變為正電子和一個中性介子。中性介子立即衰變為兩條伽馬射線。（圖片來源：超級神岡探測器官網）

1919年，盧瑟福宣布發現質子。當時，人們唯一知道的物質的基本組成粒子只有電子。而物理學家對質子的認識是，質子不可能在不違反電荷守恆的情況下發生衰變。後來，重子數守恆原理被提出。重子是指由三個夸克（或者三個反夸克組成反重子）組成的複合粒子，它並不是基本粒子。最常見的重子有組成日常物質原子核的質子和中子，與反質子、反中子合稱為核子。於1932年發現的中子和質子，它們的重子數為 1，它們的反粒子的重子數為-1，電子的重子數則為0。舉個例子，中子可以衰變為一個質子、一個電子和一個反中微子，在這個過程中總重子數是不變的。

物理學家戈德哈伯曾說過，如果質子的壽命小於10^16年，那麼我們應該能從骨頭裡感受到它們，因為我們的身體將會具有致命的放射性。作為比較，宇宙的年齡只有138億年，也就是1.38×10^10年。

1954年，戈德哈伯對他先前的估測進行了改進。他認為如果失去一個核子將會使原子核處於激發態，從而有可能導致裂變，他用232Th來計算束縛的核子的壽命，得到的結果為大於10^20年。隨後，格奧爾基·弗廖羅夫很快將這個數字擴展為大於3×10^23年。

戈德哈伯還與弗雷德·雷恩斯和克萊德·考恩合作，採用500升螢光液體進行了實驗。這項實驗測試了直接觀測到質子衰變的可能性。他們在液體的周圍環繞了90個光電倍增管，這套設備本來是設計來檢測反應堆中微子的。但他們沒有發現任何信號，這就表明自由質子（指那些沒有被束縛在原子核內的質子）的壽命一定比10^21年更長，而束縛核子的壽命則必須大於10^22年。到了1974年，在一項用20噸螢光液體進行的宇宙射線實驗中，雷恩斯和他的其他同事將質子的壽命推到了10^30年以上。

1974年前後，物理學家提出了大統一理論（GUT），它不僅是要統一強核力、弱核力、電磁力，而且還要把夸克和輕子緊密地聯繫在一起。GUT允許重子數不守恆。尤其是霍華德 喬治和謝爾頓·李·格拉肖的最小SU(5)模型預測了，在10^(31±1)年的時間區間內，質子會衰變成正電子和中性π介子（p → e^( )π^0），這與可以觀測到的下限10^30年相差並不遠。

超級神岡探測器被用探測質子衰變以及被設計來尋找太陽、地球大氣的中微子，並觀測銀河系內超新星爆發。（圖片來源：超級神岡探測器官網）

到了1981年，7個這樣的實驗被安裝在地下深處，它們要麼使用完全活躍的切倫科夫水探測器，要麼使用取樣測熱計來監測大量的質子。

神岡探測器是日本東京大學在岐阜縣飛驒市神岡町的茂住礦山一個深達1000米的廢棄砷礦中建造的大型中微子探測器。其目標是探測質子衰變以及被設計來尋找太陽、地球大氣的中微子，並觀測銀河系內超新星爆發。IMB探測器建造於上世紀80年代初，本來用於探測質子是否衰變，反而幫助科學家發現了大氣中微子的振蕩。它們都是尋找質子衰變的重要實驗。但這些實驗將質子壽命的下限提高到了10^32年，降低了最小SU(5)大統一規範理論的可行性。

在1987年，IMB探測器和神岡探測器二代因探測到了來自超新星SN1987a釋放的中微子而名聲大噪。神岡探測器二代早已經在研究太陽中微子和大氣中微子，它的繼任者——超級神岡探測器對大氣和太陽中微子振蕩進行了開創性的觀測。目前，超級神岡對質子衰變成e^( )π^0的時間設置了最高下限：1.6×10^34年。

製作：曾子芹 西南交通大學

審校：趙崢 北京師範大學物理系教授

參考來源：

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

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