Спросите Итана: Сможем ли мы когда-нибудь наблюдать распад протона?

Протон, самый лёгкий барион во Вселенной, считается многими вечно стабильной частицей. Но если это не так, сможем ли мы наблюдать его распад?

Протон — это не просто три кварка и глюона, а море плотных частиц и античастиц внутри. Чем подробнее мы изучаем протон и чем больше энергии мы используем в экспериментах по глубоко неупругому рассеянию, тем больше подструктур мы находим внутри самого протона. Кажется, что плотность частиц внутри не имеет предела; она увеличивается без ограничений по мере роста энергии столкновения. Однако стабильность протона ещё не определена; мы уверены только в том, что его время жизни превышает 10^34 лет, если он вообще распадается спонтанно.

Вселенная наполнена всяким разным, куда бы мы ни заглянули. Несмотря на то, что большая часть Вселенной является «тёмной» в том смысле, что мы ещё не выяснили, как её непосредственно обнаружить — 95 % плотности космической энергии состоит из тёмной энергии и тёмной материи — оставшиеся 5 %, которые представлены различными формами материи и излучения, имеют огромное значение. Из них состоим мы, планеты, звезды и галактики, а также звёздн��й свет, плазма и облака нейтрального газа, обнаруженные внутри и за пределами галактик, и всё остальное, что мы можем наблюдать. Из этих 5 %, с точки зрения массы, более трёх четвертей находится в форме протонов: простейших и самых лёгких барионов во всей Вселенной; частиц, состоящих из трёх кварков.

Насколько мы можем судить, протон является стабильной частицей. Экспериментально мы установили нижний предел его жизни в 10³⁴ года: это примерно в септиллион раз больше, чем нынешний возраст Вселенной. И всё же вопрос о том, распадается ли протон, и если да, то какова его продолжительность жизни, находится в центре одной из величайших загадок всей теоретической физики. Как мы работаем над поиском ответа и что именно поставлено на карту? Именно это хочет узнать читатель, задавая вопрос:

«Как... мы когда-нибудь сможем узнать, распадаются ли протоны? Какая технология нам нужна, чтобы это обнаружить? Можем ли мы заставить это произойти?»

Это сложный и глубокий вопрос, но его важность не всегда очевидна. Давайте разберёмся, почему вопрос о стабильности протона так важен, а затем вернёмся к нашим лучшим нынешним и будущим попыткам найти ответ.

На этом графике показаны атомные изотопы всех известных элементов, окрашенные в соответствии с известной продолжительностью жизни этих изотопов. Хотя в настоящее время известно 251 стабильных изотопов у 80 стабильных элементов, эти цифры, вероятно, уменьшатся с дальнейшими исследованиями и более точными измерениями. Однако для создания более тяжёлых элементов сначала необходимо создать более лёгкие элементы. Существует определённый порядок в построении структуры Вселенной.

Первое, что может прийти вам в голову, это вопрос: «Почему кто-то может считать, что сам протон нестабилен?» Конечно, мы знаем более 100 различных видов атомов и нашли более 1000 изотопов (различных комбинаций протонов и нейтронов), которые могут существовать. Из всех изотопов всех элементов подавляющее большинство, как известно, нестабильны, и со временем распадаются на более стабильные формы. Однако, как видно из приведённой выше таблицы, существует целых 80 элементов, или видов атомов, которые имеют по крайней мере один известный стабильный изотоп, и в общей сложности на сегодняшний день известен 251 стабильный изотоп.

Но из этих 251 стабильных изотопов, как мы подозреваем, многие в конечном итоге распадутся, благодаря предсказаниям ядерной физики и возможности квантовых переходов в более стабильное состояние. Даже если их срок жизни длинный — даже длиннее, чем нынешний возраст Вселенной — для нестабильной частицы ключевым вопросом является «когда», а не «если». Существуют ли изотопы, которые действительно стабильны, а не просто очень долговечны?

Всё зависит от того, существует ли более энергетически стабильное состояние, в которое оно может перейти, и действительно ли фундаментальные квантовые правила, которым подчиняется система, запрещают такие переходы, или же они только затрудняют их.

Во многих физических случаях вы можете оказаться в ловушке локального ложного минимума, не имея возможности достичь состояния с наименьшей энергией, которое известно как истинный минимум. Независимо от того, получаете ли вы толчок, чтобы преодолеть барьер, что может произойти в классическом случае, или выбираете чисто квантово-механический путь квантового туннелирования, переход из одного состояния в другое всегда возможен, если не нарушаются фундаментальные законы сохранения. Это пример фазового перехода первого порядка, а не плавного (второго порядка) перехода без ложных минимумов.

Выше представлена иллюстрация процесса квантового туннелирования. (Кстати, именно квантовое туннелирование лежит в основе Нобелевской премии по физике 2025 года.) Лучшая аналогия этого процесса — это мяч, который останавливается в долине на склоне холма (метастабильное состояние), а не скатывается вниз по склону (основное состояние). В классической, неквантовой физике единственный способ спустить мяч вниз по склону — это дать ему достаточно энергии, чтобы он мог:

• выбраться из долины, в которой он сейчас застрял,

• поднимаясь и преодолевая барьеры со всех сторон,

• после чего, если он скатится в правильном направлении, он сможет свободно достичь «истинного минимума» или «основного состояния» рассматриваемой системы.

Но в квантовой Вселенной вам не нужно «перелезать» или «обходить» барьер; вы можете просто пройти через него. Это потому, что явление квантового туннелирования зависит только от существования более стабильного — или более энергетически выгодного — состояния или конфигурации. Если нет закона или правила, абсолютно запрещающего такой переход, он произойдёт. Одним из распространённых примеров является бета-распад в ядерной физике: когда нейтрон, будь то свободный нейтрон или нейтрон в атомном ядре, может распадаться на протон, электрон и электронное антинейтрино.

На этой схеме показано, как свободный нейтрон (или антинейтрон) распадается на субатомном уровне. Внутри нейтрона (или антинейтрона) нижний кварк (или антикварк), показанный слева красным цветом, испускает виртуальный бозон W-(или W+), превращаясь в верхний кварк (или антикварк). Бозон W-(или W+) образует пару электрон/электронное антинейтрино (или позитрон/электронное нейтрино), в то время как верхний кварк (или антикварк) рекомбинирует с исходными остаточными верхними и нижними кварками (или антикварками), образуя протон (или антипротон). Сейчас известно, что это процесс, лежащий в основе всех бета-распадов во Вселенной.

Поскольку суммарная масса протона, электрона и (анти)нейтрино меньше массы нейтрона, энергия при этом распаде сохраняется. Поскольку количество барионов сохраняется (протон имеет барионное число +1, как и нейтрон), количество лептонов также сохраняется (электрон имеет лептонное число +1, а антинейтрино — -1), а другие величины, такие как электрический заряд, цветовой заряд, спин и т. д., также сохраняются, распад может произойти.

Однако не каждый изотоп является нестабильным; например, дейтрон представляет собой связанное состояние протона и нейтрона, объединённых в одно ядро. Но он никогда не распадётся самопроизвольно на два протона, потому что энергия покоя дейтрона меньше энергии покоя двух свободных протонов; энергия связи играет важную роль в стабильности. В этом случае необходимо «добавить энергию» к дейтрону, чтобы обеспечить переход в два протона для конечного состояния. Другими словами, конфигурация двух свободных протонов находится выше по энергетической лестнице, чем одиночный связанный дейтрон, состоящий из протона и нейтрона.

Однако в случае «голого» протона существует несколько иной набор ограничений, с которыми необходимо считаться.

Два возможных пути распада протона описываются с точки зрения преобразований его фундаментальных составляющих частиц. Эти процессы никогда не наблюдались, но теоретически допускаются во многих расширениях Стандартной модели, таких как теории великого объединения SU(5).

Выше вы можете увидеть несколько возможных теоретических путей распада протона. Эти пути:

• энергетически благоприятны,

• сохраняют энергию, импульс и электрический заряд,

• но нарушают сохранение барионного и лептонного числа, сохраняя только комбинацию барионного числа минус лептонное число.

На данный момент, экспериментально и наблюдательно, мы никогда не обнаруживали и не измеряли ни одного взаимодействия частиц, которое нарушало бы барионное или лептонное число; насколько мы можем судить, такого никогда не происходило. Но если вы внимательно посмотрите на уравнения Стандартной модели — что они предсказывают, что допускают и что запрещают — вы обнаружите нечто, что может вас удивить. Барионное число и лептонное число явно не сохраняются; нет никаких правил, предписывающих сохранение кого-либо из них. Единственное требование заключается в том, разность этих двух величин, барионное число мину�� лептонное число (иногда сокращённо называемое «B – L»), должна строго сохраняться.

В квантовой физике существует принцип, известный как тоталитарный принцип, который можно сформулировать следующим образом: всё, что не запрещено, является обязательным. Если что-то не запрещено, то существует положительная, конечная, ненулевая вероятность его возникновения. Учитывая, что у нас есть всё время во Вселенной для того, чтобы произошёл любой возможный процесс, всё, что нам нужно сделать, это:

• собрать достаточное количество частиц,

• построить достаточно чувствительный детектор для поиска нужного нам процесса,

• и ждать.

Если что-то может распадаться, то, если мы соберём достаточное количество этого «чего-то», построим инфраструктуру, чувствительную к процессу распада, и подождём достаточно долго, мы в конце концов увидим, как это происходит.

Паритет, или зеркальная симметрия, является одной из трёх фундаментальных симметрий во Вселенной, наряду с симметрией обратного времени и симметрией зарядового сопряжения. Если частицы вращаются в одном направлении и распадаются вдоль определённой оси, то их зеркальное отражение должно вращаться в противоположном направлении и распадаться вдоль той же оси. Было замечено, что это не так в случае слабых распадов, которые являются единственными известными взаимодействиями, нарушающими симметрию заряда (C), симметрию паритета (P), а также комбинацию (CP) этих двух симметрий. Однако нарушение CP-симметрии наблюдалось только в системах, содержащих странные, очарованные или нижние кварки, но никогда в лептонах.

В случае распада протонов, который нарушил бы барионное число, но сохранил бы комбинацию «B – L», существует веская теоретическая мотивация для предположения, что это действительно может произойти в нашей Вселенной. Мотивация проста: у нас есть факт, что 5% Вселенной, состоящей из «нормальной материи», или материи, содержащейся в Стандартной модели элементарных частиц, состоит из материи, а не из антиматерии. Несмотря на то, что согласно формуле Эйнштейна E = mc² об эквивалентности массы и энергии мы можем создавать только частицы и античастицы в равных и противоположных количествах, Вселенная, в которой мы живём, демонстрирует убедительные доказательства того, что атомы, планеты, звезды, галактики, скопления галактик и крупномасштабная космическая сеть в основном состоят из нормальной материи, без эквивалентного количества антиматерии.

Как это произошло? Хотя мы не уверены — это всё ещё неразгаданная космическая загадка, известная как загадка бариогенеза — с конца 1960-х годов мы точно знаем, как асимметрия материи и антиматерии может возникнуть из исходного состояния, которое является чисто симметричным по материи и антиматерии. Вселенной просто необходимо пройти через следующие три условия, известные как условия Сахарова.

1. Нужна Вселенная, находящаяся вне теплового равновесия. (Горячий Большой взрыв, возможно, даёт нам идеальную систему, находящуюся вне равновесия).

2. Нужна Вселенная, в которой нарушены как C-симметрия (замена материи антиматерией), так и CP-симметрия (замена материи антиматерией и замена конфигураций их зеркальными отражениями). (До сих пор это наблюдалось, но только при слабых взаимодействиях).

3. И нужна Вселенная, в которой могут происходить реакции, не сохраняющие барионный номер. (Ни одна из них никогда не наблюдалась.)

Первое условие мы получаем от горячего Большого взрыва, а второе (но не в полной мере) — от Стандартной модели. Поскольку мы живём во Вселенной, в которой доминирует материя, нам не только нужно, чтобы каким-то образом выполнилось третье условие, но и нужно больше нарушений CP-симметрии, чем допускает Стандартная модель.

Если допустить существование новых частиц (таких как X и Y в данном случае) с античастицами-аналогами, то они должны сохранять CPT, но не обязательно C, P, T или CP сами по себе. Если CP нарушается, пути распада — или процентное соотношение частиц, распадающихся одним способом по сравнению с другим — могут быть разными для частиц и античастиц, что при определённых условиях приводит к чистому образованию материи по сравнению с антиматерией. Хотя это иллюстрирует сценарий бариогенеза GUT, Стандартная модель сама по себе может привести к нарушению барионного числа через сфалеронные взаимодействия.

Это требует от нас, теоретически, выйти за рамки Стандартной модели: к её расширениям, которые могли бы создать симметрию материи и антиматерии, которую мы сейчас наблюдаем в нашей Вселенной. Есть несколько способов, как это может произойти, с некоторыми интересными сценариями, включая следующие.

• Стандартная модель может быть подмножеством более широкой «великой объединённой» структуры, которая её охватывает, где возникают дополнительные частицы, которые могут опосредовать распад барионов и их преобразование в лептоны.

• Может существовать суперсимметричное расширение Стандартной модели, позволяющее генерировать асимметрию материи и антиматерии посредством (суперсимметричных) скалярных частиц, взаимодействующих с полем инфлятона в конце инфляции.

• Хотя Стандартная модель предсказывает (плавный) фазовый переход второго порядка для нарушения электрослабой симметрии без квантового туннелирования, её расширения могут изменить наши предсказания и привести к фазовому переходу первого порядка (с квантовым туннелированием), что позволит через сфалеронные взаимодействия сгенерировать асимметрию материи посредством нарушения электрослабой симметрии. [сфалерон (sphaleron) — это квазиклассическое, статическое решение уравнений электрослабого поля в Стандартной Модели физики элементарных частиц; это своего рода «холм» или «седловая точка» в энергетическом ландшафте, которая позволяет переходить между вакуумами с разным барионным числом (например, из вакуумного состояния с барионным числом 0 в состояние, где оно не сохраняется) и которая связана с процессами нарушения барионной чётности и барионной асимметрией Вселенной / прим. перев.]

• Или могла существовать лептонная асимметрия, возникшая на ранней стадии через сектор нейтрино, а затем взаимодействия сфалеронов при нарушении электрослабой симметрии могли преобразовать её в эквивалентную барионную асимметрию: сценарий, известный как лептогенез.

Это очень важно, потому что говорит нам о том, что должен существовать способ генерировать больше протонов, чем антипротонов, из какого-то процесса, который реально происходил в космическом прошлом. И если реакция может происходить в одном направлении (создавая чистое количество протонов), то обратная реакция (уничтожающая чистое количество протонов) также должна быть возможна. Нам просто нужно воссоздать правильные условия, чтобы это стало возможным.

Нейтринные детекторы, подобные тому, который используется в рамках сотрудничества BOREXINO, обычно имеют огромный резервуар, служащий мишенью для эксперимента, где взаимодействие нейтрино приводит к образованию быстро движущихся заряженных частиц, которые затем могут быть обнаружены окружающими фотоумножителями на концах. Все эти эксперименты также чувствительны к распаду протонов, и отсутствие наблюдаемого распада протонов в BOREXINO, SNOLAB, Kamiokande (и последующих проектах) и других экспериментах наложило очень жёсткие ограничения на распад протонов, а также на очень длительный период жизни протонов.

Так каковы же эти условия? К сожалению, в каждом сценарии бариогенеза — механизма, лежащего в основе взаимодействий, нарушающих барионный паритет — существуют разные способы достижения этих условий. В случае великого объединённого варианта в игру вступают новые сверхтяжёлые бозоны, что означает, что практически любое атомное ядро, содержащее протон (включая обычный старый водород), имеет шанс спонтанно распасться. Для расширений, которые изменяют форму потенциала нарушения электрослабой симметрии без прямого взаимодействия с кварками, это было однократное событие в прошлом Вселенной: событие, которое можно потенциально воссоздать, только вернувшись к тем очень высокоэнергетическим условиям.

Другими словами, существует несколько способов удовлетворить условиям бариогенеза, и все они допускают (и, по сути, требуют) существование взаимодействий, нарушающих барионный паритет. Но не все эти нарушения обязательно приводят к нестабильности протона в настоящее время! Поэтому, когда мы проводим эксперименты, чувствительные к распаду протона:

• сооружаем большие резервуары (или другие устройства) из протонсодержащего материала,

• окружаем их детекторами, чувствительными к продуктам распада протонов (такими как фотоумножительные трубки),

• защищаем их от фоновых эффектов и количественно оцениваем шум внутри детектора,

• а затем ждём, появится ли сигнал выше уровня шума,

мы должны понимать, что мы чувствительны только к возможностям распада в определённых сценариях.

Частицы гипотетической великой объединённой группы SU(5), которая содержит всю Стандартную модель плюс дополнительные частицы. В частности, существует ряд (необходимо сверхтяжёлых) бозонов, обозначенных на этом диаграмме буквой «X», объединяющих в себе свойства как кварков, так и лептонов, что приводит к фундаментальной нестабильности протона. Их отсутствие и наблюдаемая стабильность протона являются весомым доказательством несостоятельности этой теории с научной точки зрения.

Можно придумать сценарии бариогенеза, которые не приводят к распаду свободных протонов или к распаду протонов, входящих в состав атомов и молекул, но все же допускают взаимодействия, нарушающие барионное число. В некоторых теоретических сценариях, которые успешно приводят к бариогенезу, мы должны быть очень осторожны с процессом нарушения электрослабой симметрии, поскольку он рискует стереть любую ранее существовавшую асимметрию барионов и антибарионов. Таким образом, возможно, что мы никогда не увидим распада протонов, но бариогенез всё равно произойдёт, а также возможно, что мы увидим распад протонов, но всё равно будем иметь только туманное представление о том, как на самом деле произошёл бариогенез.

В некотором смысле, существует много экспериментов, которые помогают нам ограничить (и, возможно, обнаружить) распад протонов, в том числе:

• большие подземные детекторы нейтрино, заполненные жидкостью,

• антарктическая обсерватория нейтрино IceCube,

• эксперименты, направленные на прямое обнаружение тёмной материи,

• и сверхчувствительные эксперименты по ядерному распаду, такие как поиск безнейтринного двойного бета-распада.

Благодаря сочетанию этих классов экспериментов (но в основном и в первую очередь благодаря нейтринным детекторам, как показано ниже), мы смогли ограничить время жизни протона, если он действительно распадается, более чем 10³⁴ годами. Учитывая, что возраст Вселенной составляет всего 13,8 миллиарда лет (или примерно 10¹⁰ лет), это замечательное ограничение: оно было достигнуто за десятилетия наблюдений за огромным количеством протонов (эквивалентным десяткам тысяч тонн воды), которые не продемонстрировали ни одного распада.

Детекторы нейтрино и антинейтрино работают следующим образом: внутри резервуара, окружённого фотоумножительными трубками, находится большая «мишень» для взаимодействия нейтрино/антинейтрино, что позволяет учёным реконструировать характеристики событий, произошедших в источнике. Иногда также применяются большие внешние электрические поля, что позволяет учёным построить второй сигнал на основе внутренней ионизации, которая происходит внутри детектора в результате нейтринных событий. Эти большие резервуары также заполнены материалом, содержащим протоны, что делает их чувствительными к потенциальным событиям распада протонов и даёт нам самые большие ограничения на время жизни и стабильность протона.

Это противоречит некоторым из самых простых способов создания асимметрии материи и антиматерии (и вызывает разочарование)! Одна из самых ранних и самых интересных концепций Великой объединённой теории известна как объединение Георги-Глэшоу, или SU(5), объединяет сильное взаимодействие с электрослабым. К сожалению, она предсказывает время жизни протона всего в 10³⁰ лет, что было опровергнуто в начале 1980-х годов, и поэтому сценарий, который был проиллюстрирован ранее (с точки зрения бозонов X и Y), также не может быть объяснением бариогенеза. Многие суперсимметричные сценарии были отвергнуты, а некоторые аспекты сценариев нарушения электрослабой симметрии были слегка ограничены данными Большого адронного коллайдера, которые выявили бозон Хиггса и измерили его свойства.

Возможно, что новый ускоритель частиц следующего поколения прольёт свет не только на загадку бариогенеза, но и на взаимодействия, нарушающие барионную симметрию, в целом. Возможно, что существующие, но ещё не открытые виды распада помогут нам больше узнать о стабильности протона. Сейчас известно, что излучение Хокинга не может привести к нестабильности протона. И довольно забавно, что эксперименты, изначально созданные для поиска распада протонов, привели к зарождению нейтринной астрономии, а теперь именно наши успешные нейтринные детекторы позволили установить самые строгие ограничения на время жизни протона.

Итак, стабилен ли протон? По сути, мы до сих пор не знаем. Исследования установили ограничения на его стабильность, которые поражают воображение, но за пределами этих временных рамок он всё ещё может быть обречён на распад. У нас есть много методов его обнаружения, но пока один из них не окажется действительно успешным, всё, что мы сможем сделать, — это ещё больше ужесточить наши ограничения.