有一天,我们的生命会走到尽头,我们生活的这颗蓝色星球也将变得不再适合居住,甚至连太阳、银河系也终将毁灭。那些我们曾认为是永恒的存在,都有着各自的生命周期。但对于构成万物的粒子——质子而言,生命是否也是有限的?
1919年,当卢瑟福宣布发现质子时,人们唯一知道的物质的基本组成粒子只有电子。
当时,物理学家对质子的认识是,质子不可能在不违反电荷守恒的情况下发生衰变。十年后,赫尔曼·威尔(Hermann Weyl)为了解释物质的稳定性,提出了重子数守恒原理。于1932年发现的中子和质子都属于重子,它们的重子数为+1,它们的反粒子的重子数为-1,电子的重子数则为0。举个例子,中子可以衰变为一个质子、一个电子和一个反中微子,在这个过程中总重子数是不变的。
○ 在原子核中的中子是非常稳定的,但自由中子在大约15分钟后就会发生衰变,衰变前后的重子数都为+1。目前,我们还没有发现质子会衰变的证据。那么,电子呢?根据能量守恒和电荷守恒,电子可能永远是稳定存在的:就目前所知,没有带负电荷的低质量粒子存在。
如果重子数是一个绝对守恒的量子数,那么质子作为最轻的一个重子,它将是绝对稳定的。即使在发现正电子(电子的反物质版本)、正μ介子和π介子这些比质子都轻的粒子之后,仍然没有发现任何可以怀疑质子的稳定性的理由。
物理学家Maurice Goldhaber曾说过,如果质子的寿命小于1016年,那么我们应该能从骨头里感受到它们,因为我们的身体将会具有致命的放射性。1016即1后面跟着16个0,作为比较,宇宙的年龄只有138亿年,大约是1的后面跟着10个0。
1954年,Goldhaber对他先前的估测进行了改进。他认为如果失去一个核子将会使原子核处于激发态,从而有可能导致裂变,他用232Th来计算束缚的核子的寿命,得到的结果为大于1020年。随后,Georgy Flerov很快将这个数字扩展为大于3×1023年。
Goldhaber还与Fred Reines和Clyde Cowan合作,测试了直接观测到质子衰变的可能性。他们的实验包含了一个500升的荧光液体,液体的周围环绕着90个光电倍增管(PMT),这套设备本来是设计来检测反应堆中微子的。但他们没有发现任何信号,这就表明自由质子(指那些没有被束缚在原子核内的质子)的寿命一定比1021年更长,而束缚核子的寿命则必须大于1022年。到了1974年,在一项用20吨荧光液体进行的宇宙射线实验中,Reines和他的其他同事将质子的寿命推到了1030年以上。
与此同时,在1966年,Andrei Sakharov提出了一些可以观测到宇宙中的粒子-反粒子不对称性的条件(这种不对称性是现代宇宙的一个重要组成部分,也是行星、恒星和星系等结构形成的主要驱动力)。其中之一就是重子数守恒只是近似的,而且是可以在早期宇宙的膨胀阶段被违反的(另外两个条件是偏离热平衡,以及存在破坏C对称和CP对称的相互作用)。能违反重子数守恒的相互作用可以使质子发生衰变,但由Sakharov提出的质子寿命可能大于1050年,这样的结果多少会让实验物理学家有点心灰意冷。
但到了1974年前后,事情开始有了转折。当时,物理学家提出了大统一理论(GUT),它不仅是要统一强核力、弱核力、电磁力(没有包括引力是因为我们还没有发展出一个引力的量子理论),而且还要把夸克和轻子紧密地联系在一起。GUT允许重子数不守恒。尤其是Howard Georgi和Sheldon Glashow的最小SU(5)模型预测了,在1031±1年的时间区间内,质子会衰变成正电子和中性π介子(p → e+π0),这与可以观测到的下限1030年相差并不远。
○ 质子(proton)衰变成正电子(positron)和中性π介子(π⁰),
○ 质子(proton)衰变成正电子(positron)和中性π介子(π⁰),π⁰会立即衰变成两个光子(gamma)。| 图片来源:[2]
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