技术:一个可能决策宇宙命运的问题：质子会衰变吗？

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粒子衰变和守恒定律

现在发现了各种各样的基本粒子，那些物理法则决定了粒子是否会崩溃吗？ 根据粒子物理学，如果某个粒子的衰变方法不违反物理学守恒定律，其衰变方法是自愿进行的。 物理学守恒定律是电荷量、能量、线运动量、角动量等物理量的总量保持恒定的所谓电荷守恒定律、能量守恒定律等物理定律。 这些守恒定律普遍成立。

科学家通常认为电子的寿命是无限长的。 因为这是已知的带负电粒子中最轻的，无论用什么能量守恒的方法衰变都是违反电荷守恒定律的。

众所周知，中子的衰变在原子核外，自由中子的平均寿命约为15分钟，可以衰变成质子、电子、反中微子三个更轻的粒子。

被原子核束缚的中子也可以崩溃。 例如，氚核的中子通过衰变转化为质子。 但是，在许多原子核中，中子非常稳定。 因为如果中子衰变是质子，克服周围质子的库仑力会消耗比衰变时释放的能量更多的能量。 这使被稳定原子核束缚的中子和质子同样稳定。

但是，没有为阻止质子衰变而制定的守恒定律。 例如，基本上可以衰减为正电子、中微子、光子、π介子、正电子，不违反前述物理学的基本守恒定律。 总之，自然似乎没有阻止质子的衰变，质子实际上非常稳定，这是非常例外的。 那么，你怎么能解释质子的稳定性呢？

重子数守恒

从1929年开始，hermann weyl、ernst stuckelberg、eugene wigner等人相继提出了根据新的守恒定律禁止质子衰变的想法。 他们提出了新的保存量——重子数( baryon number )。 质子和中子的重子数为+1，其反粒子的重子数为-1，其他粒子如轻子、中子、规范粒子的重子数为0。 因为这样，中子可以衰变成更轻的质子、电子和反中微子，不会破坏重子数守恒(注:电子和中微子都是轻子)。 但是，质子是最轻的重力，因此不能衰变成为更轻的粒子，也不会违背重力数保存。

质子数保存的提案禁止质子衰变，但无法说明质子为什么稳定。 另外，重子数保存和电荷保存非常不同。 电荷产生电场和磁场，电磁场可以反作用于电荷。 因为这种电荷有动力学意义。 但是，重子数没有同样的动力学意义。

假设重子数也能像电荷一样形成“重子场”，考虑到地球上含有大量的中子和质子，它们应该能形成一定强度的重子场，地球的重子场对其表面的质子和中子产生排斥和吸引。 也

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大统一理论还预言质子最有可能因与正电子形成电中性的π介子而崩溃。 产生的正电子和π介子具有相对高的能量，同时在产生后向相反的方向飞出。 因为这个高能粒子的“背对背”飞出的过程几乎不可能从质子衰变以外的事情发生，所以这个衰变方法在实验中可以发出比较容易识别的信号。

在提出大统一理论之前，科学家试图通过实验观测质子衰变，只是认为质子数保存实际上不如通过实验检查质子的稳定性。 1953年，美国洛杉矶莫斯科学研究所的clyde l。 cowan等人首次用大型探测器观测到质子衰变，质子寿命的下限值为10^22年。 在那之后的20年里，人们不断提高质子寿命的下限。 自1974年提倡大统一理论以来，关于质子衰变的实验研究也发生了变化。 大统一理论预言了质子的衰变，预测了质子的寿命，给了实验更明确的目标和方向。

寻找质子衰变

很明显，最初大的统一理论给出的质子寿命达到了10^30年，宇宙的年龄也不过是10^10年，在衰变之前不能只观测到一个质子。 实际上，质子的寿命是半衰期，不是所有质子在10^30年内衰变，而是样品中所有质子衰变一半所需的时间。 因为，如果监测包括大量质子在内的极大质量物质，应该每年都会观测到各个质子的衰变。

为了监测质子的衰变，需要尽量排除其他背景信号的干扰。 例如，宇宙线可以在地表附近产生具有各种能量的各种粒子。 为了减少它们的干扰，探测器经常深埋在地下的各种隧道和矿山中。 来自宇宙线的质子、中子或π介子等粒子被数米厚的屏蔽层吸收。 但是，μ子在通过物质时失去能量很慢。 因为为了屏蔽它，需要几公里厚的屏蔽层。

对中微子来说，几乎不可能屏蔽它们。 事实上，总是有很多中微子贯穿整个地球，几乎没有反应。 当然，这意味着大部分中微子不会直接通过探测器进行干扰，但总是有个别的中微子干扰探测器。 虽然不使用中微子干扰，但可以区分产生的信号和质子衰变的信号，去除。

其他干扰起因于不能完全屏蔽的天然放射性现象。 例如，实验中使用的屏蔽材料和检测器本身含有原子核，有可能产生放射线。 但是，来自放射性原子核的辐射通常会产生不到质子衰变释放能量的1%的能量，因此只需测量能量就可以排除这样的干扰。

监视质子衰变不仅需要屏蔽背景噪声，还需要记录检测材料中发生的各种反应，需要建设大型检测器。 现在观测质子衰变的第一个实验是位于日本神冈的超级神冈探测器( super-kamiokande )，位于深度1000米的废弃砷矿，是水切伦科夫探测器。

超级神冈探测器

水切伦科夫探测器的原理基于1934年的苏联物理学家pavel a。 cerenkov发现的切伦科夫效应:当带电粒子以超过介质中光速的速度通过介质时，切伦科夫辐射就会释放。 类似于超音速飞机和子弹的声爆现象，产生的辐射集中在一个锥体内。

全部信号信号都匆匆忙忙，没有氢、氢、氢、氢、氢，所以第2如上所述，检测质子衰变。 所以在[]中。 手忙脚乱

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全中性的π介子不产生放射信号，但通过衰变时产生的带电粒子间接检测。

研究人员仔细分析和筛选探针记录的各种信号，以最后无法归结为其他反应的一点事例作为质子或中子衰变的候选事例，用它们计算质子或中子寿命的下限值。 20世纪80年代，科学家表示质子衰变是正电子和π介子的寿命下限，1.7×10^32年，这意味着最小su(5)模型超过了预言的质子寿命，因此最简单的最大统一模型没有正确给出质子寿命。

年，超神冈探测器将质子衰变为正电子和π介子的寿命下限提高到了1.6×10^34年。 但是，迄今为止，还陆续提出了最小超对称su(5)模型、flipped su(5)模型、so(10 )模型等其他类型的大统一理论，赋予了比现在实验给出的下限值长10^35年的质子寿命 因此，这些理论模型还需要进一步验证实验。

值得注意的是，神冈实验最初的目的是寻找质子衰变，但至今没有观测到相关信号，中微子研究行业的成果丰富。 1985年，神冈探测器发现μ子中微子和电子中微子的比例小于理论预言，发现了所谓的“大气中微子异常”现象。 1987年，神冈探测器首次检测到大麦哲伦星系发生超新星爆炸( sn1987a )的超新星中微子，证实了超新星爆炸理论的正确性，开启了中微子天文学的时代。 小柴昌俊也因此获得了2002年诺贝尔物理学奖。 1998年，超神冈探测器首次检测到大气中微子的振动，梶田隆章获得了年的诺贝尔物理学奖。 另外，这个探测器发现了地球中微子和反中微子的振动现象。

前面的路很长

至今还没有确认质子衰变。 那么质子会崩溃吗？ 由于现在各种大统一理论赋予的质子寿命不同，质子衰变实验缺乏非常明确的目标:质子的寿命可能刚刚超过了现在的检测器的检测范围，可能远远超过了现在的检测器的检测范围。

当然，通过改良探针可以进一步提高质子寿命的下限值，但不能一直这样迅速发展。 质子寿命的下限越高，我们需要的探测设备越大，成本也越高，背景的干扰也越多。 这些可能会完全掩盖质子衰变的信号。

问题依然没有解决，但寻找质子衰变的意义非常大。 首先，观测到质子衰变将是实验物理学的一大成果。 其次，质子衰变根植于宇宙的基本规律等深层次的问题，如果被发现，可以切实知道重子数没有保存，在此基础上验证大统一理论，间接研究超高能下的物理。 当然，质子是否会崩溃决定着星星、星际物质的进化，以及我们整个宇宙的命运。

参考文献

一。 searchforprotondecayviap→e +π0a NDP→μ+π0in 0.31？ 什么megatonyearsexposureofthesuper-kamiokandewatercherenkovdetector，the super-kamiokandecollaboration，phys。

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