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我们知道,脱离束缚的自由中子会在大约 15 分钟后衰变,产生质子、电子和反中微子。相比之下,质子是一个更值得关注的粒子,这其中有两个原因。首先,粒子物理学的标准模型表明,质子是百分百稳定的,这意味着它们不会衰变。另一方面,其他理论预测,质子会衰变,或者至少最终会衰变。一些科学家希望这些新理论能够取代标准模型,因此寻找质子衰变就变得非常重要。

首先,让我们看看为什么标准模型声称质子是稳定的,这一切都归结为守恒定律。守恒定律规定,有些属性无论如何都不会改变。在谈论质子衰变时,三个特定的守恒量很重要 —— 电荷、能量和重子数。

电荷我们都很熟悉,电荷守恒意味着衰变后的电荷量必须与衰变前相同。能量守恒有很多含义,但关键的一个与爱因斯坦的方程 E=mc² 有关,该方程表示能量和质量是相同的。对于粒子衰变,能量守恒意味着粒子只能衰变为更轻的粒子。

重子数比较不太为人所知,重子是由三个夸克组成的粒子。质子和中子各包含三个夸克,因此质子和中子都是重子,但是重子还有很多种。重子数很简单,每个重子的重子数都是 + 1,反物质重子的重子数为-1。要找到总重子数,只需将它们相加即可。例如,在大型强子对撞机上,当你撞击两个重子数为 + 1 的质子时,碰撞前的重子数为 + 2。碰撞后,无论产生多么混乱和复杂的粒子,重子数仍为 + 2。

质子是否会衰变-风君子博客

根据标准模型,重子数、电荷和能量都是守恒的。还有更多的守恒量,但我们只关注这三个。举一个例子,在中子衰变的情况下,中子会变成质子、电子和电子反中微子。由于质子和中子的重子数都是 + 1,因此重子数在衰变前后是守恒的。由于中子带零电荷,质子带正电荷,电子带负电荷,反中微子不带电荷,所以衰变之前电荷为零,衰变之后电荷也为零,符合电荷守恒。在能量方面,当我们将质子、电子和反中微子的质量加起来时,它不能大于中子的质量。

现在让我们考虑一下质子衰变,为此我们需要先介绍两种粒子。第一种粒子是正电子,它是电子的反物质对应物。正电子带有正电荷,质量大约是质子的 0.05%。因为正电子不是重子,所以它的重子数为零。第二种粒子是 π⁰介子,它不带电荷,质量约为质子的 15%。而且,它也不是重子,所以它的重子数也为零。最后,还有一个重要的事实,那就是质子是最轻的重子。

标准模型表明任何衰变都必须遵守电荷、能量和重子数守恒。因此,重子数为 + 1、电荷为正一且质量固定的质子,如果衰变成一定数量的粒子,那么这些粒子的总质量不能大于质子、总电荷等于正一和总重子数为 + 1。但这就是问题所在,质子是最轻的重子,因此它衰变成任何重子都会比质子重,这将违反能量守恒。因此,根据标准模型,质子不能衰变,质子因此是稳定的。

然而,在一些提议的标准模型替代理论中,其中一些守恒定律被放宽了。例如,这些模型经常说质子可以衰变为正电子和 π⁰介子。我们看到,在这种衰变中,电荷是守恒的,并且衰变后的粒子质量不比衰变前大。所以根据电荷和能量的理由,质子衰变是可以发生的。另一方面,我们看到在衰变之前,重子数是 + 1,而在衰变之后是 0。这种衰变在标准模型中是被禁止的,但在标准模型的某些可能替代理论中是允许的。因此,观察质子衰变将是对新物理理论的重要验证。

质子是否会衰变-风君子博客

第三,我们知道质子不会太快衰变。如果这样的话,原子就不会存在,我们也不会出现在这里。幸运的是,这些新的替代理论表明,质子的寿命非常长。即使在 1980 年代,当这些理论还很新时,对质子寿命的预测也约为 10^31 年。宇宙已经存在了大约 137 亿,而质子寿命比宇宙存在的时间还长得多。

但粒子衰变是一个统计过程,如果质子足够多,我们就会观察到有些会提前衰变。计算一下,30000 吨的水含有大约 10^31 个质子,SuperK 探测器就是这样的一个充满了超纯水的圆柱形水箱。1996 年,SuperK 的科学家们打开了他们的探测器,开始寻找衰变的质子。虽然他们对中微子进行了大量测量,但他们还没有看到单个质子衰变。据此,研究人员得出结论,如果质子会衰变,则它的寿命应该大于 2×10^34 年。

那么,这是否意味着质子不会衰变?我们只能说,它们不会迅速衰变为正电子。我们需要建造更大的探测器,看看质子的衰变寿命是否还会比这更长。现在,质子衰变的研究还在继续。

本文来自微信公众号:万象经验 (ID:UR4351),作者:Eugene Wang