Распад протона как физическая гипотеза

Этот распад до настоящего времени наблюдать не удалось. Примером радиоактивного распада протона ($p$) может стать реакция:

$p \to n+e^+ +\nu_e (1),$

где $n$ - нейтрон; $e^+$ - позитрон; $\nu_e$ - нейтрино.

Распад протона можно объяснить наличием следующих фактов:

1. Отсутствием взаимодействия, которое было бы связано с барионным зарядом.
2. Барионной асимметрией Вселенной.
3. Требованиями теории Великого объединения взаимодействий.

Ограничения времени жизни протона, установленное на сегодняшний день по наиболее вероятным каналам распада, составляет $10^{33} – 10^{34}$ лет. Это много больше, чем возраст Вселенной, но теория полагает, что протон не способен существовать вечно. А если протон не является бессмертным, то и вся материя когда-то обязательно испарится.

Имеется множество данных, что вещество исчезает не быстро. Если обычное вещество распадается, то его распад имеет очень малую скорость и необходимы эксперименты огромного масштаба, для его обнаружения.

Беккерель нашел распад ядра урана в кристалле соли урана массой несколько грамм. Для выявления радиоактивности, которая бы была связана с распадом протона необходимо проверить много тонн вещества.

Условия возможности распада элементарных частиц

Любой процесс самопроизвольного распада элементарных частиц считают возможным, если он не запрещен законами сохранения. Распад может проходить как более или менее сложная последовательность излучений и поглощений частиц.

Рассматривая вопрос, связанный со стабильностью частицы, следует понять, будет ли распад противоречить какому-либо закону сохранения.

Так, сначала имеет рассмотреть выполнение в ходе распада закона сохранения энергии. Он требует, чтобы масса распадающейся частицы была больше, чем сумма масс продуктов распада (следует учесть, что часть массы исходной частицы превратится с кинетическую энергию продуктов распада).

Протон имеет положительный электрический заряд, который по величине равен заряду электрона. Следовательно, из закона сохранения заряда данная частица не может распадаться на:

• нейтрино,
• фотоны и
• гравитоны.

Возможные варианты распадов протона на основании законов сохранения энергии и заряда

Протон, в 1820 раз тяжелее электрона. Имеется несколько частиц обладающих меньшей массой, с положительным зарядом. Это означает, что протон способен распадаться на такие частицы и при этом не будет нарушаться закон сохранения заряда и энергии. Так, законы сохранения энергии и заряда не могут запретить протону распадаться на:

• позитрон,
• фотоны,
• и нейтрино.

Еще одним кандидатом в продукты распада протона считают антимюон.

Мюон во многом подобен электрону, обладает тем же электрическим зарядом, то в 210 раз массивнее электрона. Мюон распадается на электрон и нетрино. Соответственно антимюон обладает той же массой, что мюон, но противоположным зарядом. Масса антимюона равна одной девятой массы протона. Теоретически протон может распадаться на антимюон в совокупности с легкими нейтральными частицами, например, фотонами и нейтрино.

Следующим вариантом продуктов распада протона может стать мезон. Мезон – это представитель группы нестабильных частиц, которые находятся между электронами и протонами, если использовать классификацию частиц по массе.

Законы сохранения энергии и заряда не запрещают протону распадаться, например, на:

• положительный мезон и
• нейтрино.

или на:

• нейтральный мезон и
• позитрон.

Причины стабильности материи

Первым вопрос о стабильности материи публично задал Г. Вейль в 1929 году. Почему протон в атоме не поглощает электрон с орбиты? Тогда, например, атом водорода превращался бы в фотонный ливень.

Вейль предположил, что стабильность атома вызвана наличием двух типов электрического заряда:

• один тип – это заряд протона (положительный);
• другой тип – заряд электрона (отрицательный).

При сохранении каждого заряда по отдельности, взаимная аннигиляция запрещена. Гипотеза Вейля не встретила поддержки в то время.

Вопрос был анимирован позднее в 1938 году Э. Штюкельбергом и в 1949 году Е. Вигнером. Они предположили, что помимо энергии и электрического заряда, имеется еще закон сохранения барионного числа.

Для атома барионное число - это сумма барионных чисел компонент его составляющих.

Закон сохранения барионного числа говорит о том, что полное барионное число не может изменяться.

Закон сохранения барионного числа не утверждает, что протон живет вечно, но требует, чтобы протон не распадался самопроизвольно, если в веществе не имеется антипротонов.

Многие ученые считают, что барионное число не имеет динамического смысла, как, например, электрический заряд. Любое возможное предположение о том, что барионное число не сохраняется приходит в противоречие с фактом стабильности материи. М. Голдьдхабер писал о том, что человек знает своими костями, что среднее время жизни протона больше, чем $10^{16}$ лет. Если бы данное время жизни частицы было много меньше, то $10^{28}$ протонов в теле человека, распались со средней скоростью большей, чем $10^{12}$ протонов в год или 30 000 распадов в секунду.

Эксперименты по поиску распада протона

Первый опыт по поиску распада протона сделали в 1954 году Ф. Райенс, К. Коуэн и Гольдхабер. Они исследовали 300 литров жидкого сцинтиллятора, вещества в котором заряженные частицы с большой энергией, возникающие при распаде протона оставляли бы заметную вспышку света. Вся аппаратура размещалась глубоко под землей для избегания влияния космических лучей. Ученые получили очень мало вспышек, которые отнесли на счет космических лучей, проникающих глубоко под землю. Был сделан вывод о продолжительности жизни протона более, чем $10^{22}$ лет.

Дальнейшие эксперименты разных исследователей поднимали нижнюю границу времени жизни протона. Так, было получено, что протон живет более $10^{30}$ лет.

Это очень большой срок жизни, если учесть, что возраст Вселенной оценивается в $10^{10}$ лет.

Надежда зарегистрировать распад частицы с таким большим сроком жизни имеется только потому, что процессы радиоактивного распада работают статистически.

Техника экспериментов по распаду протона основана на том, чтобы провести компенсацию малой скорости распада при помощи детальной проверки большой массы вещества. Чем больше масса, тем больше протонов, следовательно, растет вероятность увидеть распад.

Опыты, в основном отличаются:

• составом вещества и его количеством;
• типом и конструкциями приборов, для регистрации протонов;
• мерами предосторожности, подавляющими случайные сигналы от космических лучей.