幾十年來，質(zhì)子一直被認(rèn)為是一種幾乎永恒穩(wěn)定的粒子。其壽命之長(zhǎng)，經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過宇宙的年齡，奠定了我們對(duì)物質(zhì)及其支配它的基本規(guī)律的理解。然而，粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型之外的理論框架表明，質(zhì)子可能并非真正不朽。那么問題就來了：如果質(zhì)子能夠衰變，這個(gè)過程可能發(fā)生得多快，而這樣的發(fā)現(xiàn)會(huì)對(duì)我們理解宇宙產(chǎn)生什么影響呢？
標(biāo)準(zhǔn)模型，我們目前對(duì)基本粒子及其相互作用的最佳描述，優(yōu)雅地解釋了大量的現(xiàn)象。在其框架內(nèi)，質(zhì)子由于重子數(shù)守恒而非常穩(wěn)定，這是一個(gè)在所有已知相互作用中保持不變的基本量子數(shù)。重子，包括質(zhì)子和中子，以重子數(shù)+1為特征。在標(biāo)準(zhǔn)模型中，沒有任何相互作用可以改變系統(tǒng)的總重子數(shù)，從而禁止最輕的重子（即質(zhì)子），衰變?yōu)楦p的非重子粒子，如正電子和光子。
然而，標(biāo)準(zhǔn)模型并不被認(rèn)為是萬物理論。它遺留了幾個(gè)基本的未解之謎，例如中微子質(zhì)量的起源以及暗物質(zhì)和暗能量的性質(zhì)。為了解決這些缺陷，物理學(xué)家已經(jīng)提出了標(biāo)準(zhǔn)模型的各種擴(kuò)展，包括大統(tǒng)一理論（GUTs）和超對(duì)稱理論。這些理論通常在高能量下統(tǒng)一了自然的基本力，并且這樣做時(shí)，它們引入了新的粒子和相互作用，這些粒子和相互作用可以違反重子數(shù)守恒，從而允許質(zhì)子衰變。
例如，在 GUTs 的背景下，質(zhì)子被理論化為通過極重粒子的介導(dǎo)而衰變，這些粒子通常被稱為 X 和 Y 玻色子。這些假設(shè)的玻色子，質(zhì)量約為 10^15 到 10^16 GeV（遠(yuǎn)超當(dāng)前粒子加速器的能力），可以促進(jìn)夸克和輕子之間的躍遷，有效地將質(zhì)子（由三個(gè)夸克組成）轉(zhuǎn)化為更輕的粒子，如正電子和一個(gè)中性 π 介子。這種衰變的概率與這些介導(dǎo)玻色子的質(zhì)量的四次方成反比，這意味著如果這些粒子非常重，質(zhì)子的壽命將極其漫長(zhǎng)。
在這些理論可能性的驅(qū)動(dòng)下，已經(jīng)進(jìn)行了廣泛的實(shí)驗(yàn)努力來直接觀察質(zhì)子衰變。巨大的地下探測(cè)器，屏蔽了宇宙射線，被建造用來監(jiān)測(cè)大量物質(zhì)中衰變質(zhì)子的明顯跡象，例如同時(shí)發(fā)射一個(gè)正電子和一個(gè) π 介子。經(jīng)過數(shù)十年的尋找，尚未發(fā)現(xiàn)質(zhì)子衰變的明確證據(jù)。這些零結(jié)果使得科學(xué)家能夠設(shè)定越來越嚴(yán)格的質(zhì)子壽命下限。目前，最可靠的下限，來自日本的超級(jí)神岡探測(cè)器實(shí)驗(yàn)，將質(zhì)子的半衰期設(shè)定為驚人的 1.67 × 10^34 年。從這個(gè)角度來看，這大約是宇宙年齡的 10^24 倍！
這個(gè)實(shí)驗(yàn)確定的下限對(duì)理論模型具有重要的意義。許多早期、更簡(jiǎn)單的大統(tǒng)一理論，預(yù)測(cè)的質(zhì)子壽命在早期實(shí)驗(yàn)的探測(cè)范圍內(nèi)，已經(jīng)被有效地排除。更復(fù)雜的大統(tǒng)一理論和超對(duì)稱模型可以通過調(diào)用更重的介導(dǎo)粒子或更復(fù)雜的衰變機(jī)制來適應(yīng)觀察到的質(zhì)子的穩(wěn)定性。然而，即使在這些更精密的框架內(nèi)，質(zhì)子衰變?nèi)匀皇且粋€(gè)關(guān)鍵的預(yù)測(cè)，并且尋找仍在繼續(xù)，下一代實(shí)驗(yàn)旨在獲得更高的靈敏度。
然而，最近發(fā)表在《物理評(píng)論 D》上的一篇論文，題為“質(zhì)子究竟能以多快的速度衰變？”，以一種新穎的視角重新審視了這個(gè)問題。作者提出，雖然我們周圍的質(zhì)子看起來非常穩(wěn)定，但在某些條件下或在宇宙的不同區(qū)域，它們的衰變速率可能要高得多。
他們的核心論點(diǎn)依賴于疇壁的可能性，這是一種假設(shè)的拓?fù)淙毕?，可以在早期宇宙的相變過程中出現(xiàn)在時(shí)空結(jié)構(gòu)中。這些疇壁可能捕獲或濃縮在大統(tǒng)一理論中介導(dǎo)質(zhì)子衰變的非常重的粒子。如果一個(gè)質(zhì)子與這樣的疇壁相互作用，控制衰變的有效質(zhì)量尺度可能會(huì)顯著降低，從而導(dǎo)致更快的衰變速率。
該論文表明，在某些環(huán)境中，例如在這些疇壁內(nèi)，或者可能在地球相對(duì)較近的過去，由于特定的宇宙事件，質(zhì)子的壽命可能比當(dāng)前的實(shí)驗(yàn)極限縮短多達(dá) 15 個(gè)數(shù)量級(jí)。這意味著在這些區(qū)域或那些時(shí)間，質(zhì)子可能在遠(yuǎn)短于宇宙年齡的時(shí)間尺度上衰變，可能留下可觀察到的信號(hào)。
作者探討了幾個(gè)質(zhì)子衰變的潛在信號(hào)。例如，他們認(rèn)為天然氣中特定碳同位素的低比例是一個(gè)潛在的線索。他們還討論了一種具有特定半衰期的額外碳源的可能性，該半衰期可能與質(zhì)子衰變產(chǎn)物有關(guān)。雖然這些目前只是推測(cè)，但它們突出了間接探測(cè)這種奇異場(chǎng)景的潛在途徑。
如果質(zhì)子在某些情況下確實(shí)可以衰變得更快，這將需要對(duì)我們理解基本物理學(xué)和宇宙學(xué)進(jìn)行重大的修正。它可以為一些目前無法解釋的現(xiàn)象提供解釋，例如宇宙中觀察到的物質(zhì)-反物質(zhì)不對(duì)稱性。早期宇宙中更快的質(zhì)子衰變可能會(huì)影響輕元素的形成以及宇宙隨后的演化。此外，存在增強(qiáng)質(zhì)子衰變的疇壁或其他奇異結(jié)構(gòu)將為探索標(biāo)準(zhǔn)模型之外的物理學(xué)開辟新的途徑。
然而，至關(guān)重要的是要強(qiáng)調(diào)，在特定環(huán)境中質(zhì)子衰變速度顯著加快的假設(shè)仍然是高度推測(cè)性的，需要進(jìn)一步的理論和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。目前質(zhì)子衰變的實(shí)驗(yàn)極限仍然非常嚴(yán)格，并且適用于我們可觀測(cè)宇宙中質(zhì)子的平均行為。最近論文中提出的場(chǎng)景依賴于特定的宇宙結(jié)構(gòu)和條件的存在，而這些結(jié)構(gòu)和條件本身尚未得到證實(shí)。
熱門跟貼