我們知道，脫離束縛的自由中子會(huì)在大約 15 分鐘后衰變，產(chǎn)生質(zhì)子、電子和反中微子。相比之下，質(zhì)子是一個(gè)更值得關(guān)注的粒子，這其中有兩個(gè)原因。首先，粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型表明，質(zhì)子是百分百穩(wěn)定的，這意味著它們不會(huì)衰變。另一方面，其他理論預(yù)測(cè)，質(zhì)子會(huì)衰變，或者至少最終會(huì)衰變。一些科學(xué)家希望這些新理論能夠取代標(biāo)準(zhǔn)模型，因此尋找質(zhì)子衰變就變得非常重要。
首先，讓我們看看為什么標(biāo)準(zhǔn)模型聲稱質(zhì)子是穩(wěn)定的，這一切都?xì)w結(jié)為守恒定律。守恒定律規(guī)定，有些屬性無(wú)論如何都不會(huì)改變。在談?wù)撡|(zhì)子衰變時(shí)，三個(gè)特定的守恒量很重要 —— 電荷、能量和重子數(shù)。
電荷我們都很熟悉，電荷守恒意味著衰變后的電荷量必須與衰變前相同。能量守恒有很多含義，但關(guān)鍵的一個(gè)與愛(ài)因斯坦的方程 E=mc2 有關(guān)，該方程表示能量和質(zhì)量是相同的。對(duì)于粒子衰變，能量守恒意味著粒子只能衰變?yōu)楦p的粒子。
重子數(shù)比較不太為人所知，重子是由三個(gè)夸克組成的粒子。質(zhì)子和中子各包含三個(gè)夸克，因此質(zhì)子和中子都是重子，但是重子還有很多種。重子數(shù)很簡(jiǎn)單，每個(gè)重子的重子數(shù)都是 + 1，反物質(zhì)重子的重子數(shù)為-1。要找到總重子數(shù)，只需將它們相加即可。例如，在大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)上，當(dāng)你撞擊兩個(gè)重子數(shù)為 + 1 的質(zhì)子時(shí)，碰撞前的重子數(shù)為 + 2。碰撞后，無(wú)論產(chǎn)生多么混亂和復(fù)雜的粒子，重子數(shù)仍為 + 2。
根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)模型，重子數(shù)、電荷和能量都是守恒的。還有更多的守恒量，但我們只關(guān)注這三個(gè)。舉一個(gè)例子，在中子衰變的情況下，中子會(huì)變成質(zhì)子、電子和電子反中微子。由于質(zhì)子和中子的重子數(shù)都是 + 1，因此重子數(shù)在衰變前后是守恒的。由于中子帶零電荷，質(zhì)子帶正電荷，電子帶負(fù)電荷，反中微子不帶電荷，所以衰變之前電荷為零，衰變之后電荷也為零，符合電荷守恒。在能量方面，當(dāng)我們將質(zhì)子、電子和反中微子的質(zhì)量加起來(lái)時(shí)，它不能大于中子的質(zhì)量。
現(xiàn)在讓我們考慮一下質(zhì)子衰變，為此我們需要先介紹兩種粒子。第一種粒子是正電子，它是電子的反物質(zhì)對(duì)應(yīng)物。正電子帶有正電荷，質(zhì)量大約是質(zhì)子的 0.05%。因?yàn)檎娮硬皇侵刈樱运闹刈訑?shù)為零。第二種粒子是 π?介子，它不帶電荷，質(zhì)量約為質(zhì)子的 15%。而且，它也不是重子，所以它的重子數(shù)也為零。最后，還有一個(gè)重要的事實(shí)，那就是質(zhì)子是最輕的重子。
標(biāo)準(zhǔn)模型表明任何衰變都必須遵守電荷、能量和重子數(shù)守恒。因此，重子數(shù)為 + 1、電荷為正一且質(zhì)量固定的質(zhì)子，如果衰變成一定數(shù)量的粒子，那么這些粒子的總質(zhì)量不能大于質(zhì)子、總電荷等于正一和總重子數(shù)為 + 1。但這就是問(wèn)題所在，質(zhì)子是最輕的重子，因此它衰變成任何重子都會(huì)比質(zhì)子重，這將違反能量守恒。因此，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)模型，質(zhì)子不能衰變，質(zhì)子因此是穩(wěn)定的。
然而，在一些提議的標(biāo)準(zhǔn)模型替代理論中，其中一些守恒定律被放寬了。例如，這些模型經(jīng)常說(shuō)質(zhì)子可以衰變?yōu)檎娮雍?π?介子。我們看到，在這種衰變中，電荷是守恒的，并且衰變后的粒子質(zhì)量不比衰變前大。所以根據(jù)電荷和能量的理由，質(zhì)子衰變是可以發(fā)生的。另一方面，我們看到在衰變之前，重子數(shù)是 + 1，而在衰變之后是 0。這種衰變?cè)跇?biāo)準(zhǔn)模型中是被禁止的，但在標(biāo)準(zhǔn)模型的某些可能替代理論中是允許的。因此，觀察質(zhì)子衰變將是對(duì)新物理理論的重要驗(yàn)證。
第三，我們知道質(zhì)子不會(huì)太快衰變。如果這樣的話，原子就不會(huì)存在，我們也不會(huì)出現(xiàn)在這里。幸運(yùn)的是，這些新的替代理論表明，質(zhì)子的壽命非常長(zhǎng)。即使在 1980 年代，當(dāng)這些理論還很新時(shí)，對(duì)質(zhì)子壽命的預(yù)測(cè)也約為 10^31 年。宇宙已經(jīng)存在了大約 137 億，而質(zhì)子壽命比宇宙存在的時(shí)間還長(zhǎng)得多。
但粒子衰變是一個(gè)統(tǒng)計(jì)過(guò)程，如果質(zhì)子足夠多，我們就會(huì)觀察到有些會(huì)提前衰變。計(jì)算一下，30000 噸的水含有大約 10^31 個(gè)質(zhì)子，SuperK 探測(cè)器就是這樣的一個(gè)充滿了超純水的圓柱形水箱。1996 年，SuperK 的科學(xué)家們打開(kāi)了他們的探測(cè)器，開(kāi)始尋找衰變的質(zhì)子。雖然他們對(duì)中微子進(jìn)行了大量測(cè)量，但他們還沒(méi)有看到單個(gè)質(zhì)子衰變。據(jù)此，研究人員得出結(jié)論，如果質(zhì)子會(huì)衰變，則它的壽命應(yīng)該大于 2×10^34 年。
那么，這是否意味著質(zhì)子不會(huì)衰變？我們只能說(shuō)，它們不會(huì)迅速衰變?yōu)檎娮?。我們需要建造更大的探測(cè)器，看看質(zhì)子的衰變壽命是否還會(huì)比這更長(zhǎng)?，F(xiàn)在，質(zhì)子衰變的研究還在繼續(xù)。
本文來(lái)自微信公眾號(hào)：萬(wàn)象經(jīng)驗(yàn) （ID：UR4351），作者：Eugene Wang
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