實驗表明質(zhì)子的壽命遠遠長于宇宙當前的年齡，但一些理論預言質(zhì)子的壽命并非無限長，它終將衰變。那么質(zhì)子究竟會不會衰變呢？問題的答案也許將決定我們宇宙最終的命運。

撰文 杜立配

編輯 金莊維

宇宙中的普通物質(zhì)由原子核及電子構(gòu)成，而原子核則由中子及質(zhì)子構(gòu)成。1896 年 Henri Becquerel 發(fā)現(xiàn)了天然放射性現(xiàn)象，從此人們開始意識到原子核并非是永恒不變的。當今一些科學家認為，所有原子核可能都具有一定的放射性，最后都將衰變。

粒子衰變與守恒定律

現(xiàn)在人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了各種各樣的基本粒子，那么，哪些物理法則決定了粒子會不會衰變呢？粒子物理學表明，如果某粒子的衰變方式不違背任何物理學守恒定律，那么該衰變方式就可以自發(fā)進行。物理學守恒定律是指，電荷量、能量、線動量和角動量等物理量的總量是保持不變的，也即所謂的電荷守恒定律、能量守恒定律等物理法則。這些守恒定律是普遍成立的。

科學家一般認為電子的壽命是無限長的，因為它是已知的帶負電粒子中最輕的，所以通過任何能量守恒的方式進行衰變都會違背電荷守恒定律。

而中子的衰變則已經(jīng)為人們所熟知：在原子核外，自由中子的平均壽命約為 15 分鐘，它可以衰變?yōu)槿齻€更輕的粒子，即質(zhì)子、電子及反中微子。

束縛在原子核中的中子及自由中子的衰變。

圖片來源：Wikipedia

束縛在一些原子核中的中子也可以衰變，比如，氚核中的中子可以通過衰變轉(zhuǎn)化為質(zhì)子。但是，在大多數(shù)原子核當中，中子是十分穩(wěn)定的。因為如果中子衰變?yōu)橘|(zhì)子，那么克服周圍質(zhì)子的庫侖力所消耗的能量會多于它衰變時所釋放的能量。這使得束縛在穩(wěn)定原子核中的中子和質(zhì)子一樣穩(wěn)定。

然而，我們并沒有明確的守恒定律來阻止質(zhì)子的衰變。例如，它原則上可以衰變成正電子、中微子以及光子，或者 π 介子及正電子，而不違背前面所說的物理學基本守恒定律?？傊?，大自然似乎并不阻止質(zhì)子的衰變，但是質(zhì)子實際上又極度穩(wěn)定，這就顯得十分例外。那么，如何才能解釋質(zhì)子的穩(wěn)定性呢？

重子數(shù)守恒

從 1929 年開始，Hermann Weyl，Ernst Stuckelberg 及 Eugene Wigner 等人陸續(xù)提出了通過新的守恒定律來禁止質(zhì)子衰變的想法。他們提出了一種新的守恒量——重子數(shù)（Baryon number）。質(zhì)子與中子的重子數(shù)為 +1，其反粒子的重子數(shù)為 -1，其他粒子如輕子、介子和規(guī)范玻色子的重子數(shù)為 0。因此，中子可以衰變?yōu)楦p的質(zhì)子、電子以及反中微子，而不破壞重子數(shù)守恒（注：電子和中微子都是輕子）。但由于質(zhì)子是最輕的重子，因而無法在衰變?yōu)楦p的粒子的同時又不違背重子數(shù)守恒。

雖然重子數(shù)守恒的提出禁止了質(zhì)子的衰變，但它仍然無法解釋質(zhì)子為什么是穩(wěn)定的。此外，重子數(shù)守恒與電荷守恒十分不同。電荷可以產(chǎn)生電場與磁場，而且電磁場可以反作用于電荷，因此電荷具有動力學意義。然而，重子數(shù)則并不具有類似的動力學意義。

如果假設(shè)重子數(shù)也可以像電荷一樣產(chǎn)生“重子場”，那么考慮到地球上含有大量中子及質(zhì)子，它們應該可以產(chǎn)生一定強度的重子場，我們也應該可以觀測到地球的重子場對其表面的質(zhì)子及中子的排斥或吸引。1955 年，李政道與楊振寧通過分析相關(guān)的實驗認為，如果重子場可以產(chǎn)生力，那它應該遠遠小于引力，而引力本身就已經(jīng)遠遠小于電磁力了。這表明重子數(shù)可以產(chǎn)生力的可能性是微乎其微的。

從宇宙學的角度來看，今天宇宙中質(zhì)子的數(shù)量遠遠超過其反粒子的數(shù)量，這意味宇宙大爆炸產(chǎn)生了更多的質(zhì)子，也就說明破壞重子數(shù)守恒的過程曾經(jīng)發(fā)生過。那么，既然重子數(shù)守恒可以在宇宙誕生之初被破壞，為什么現(xiàn)在不能呢？

種種考慮使得一些物理學家在 20 世紀 60 年代提出重子數(shù)并不守恒的想法。但與此同時，我們又不得不面對普通物質(zhì)都十分穩(wěn)定的事實。美國布魯克海文國家實驗室的 Maurice Goldha-ber 就提出，質(zhì)子的壽命應該不短于 10^16 年，否則人體內(nèi)每年都會有大量的質(zhì)子衰變，從而威脅我們的身體健康。

但如何在物理上解釋質(zhì)子的長壽命呢？這個問題隨著大統(tǒng)一理論的提出得到了解決。

大統(tǒng)一理論

在 20 世紀 70 年代，由于Jogesh Pati，Abdus Salam，Howard Georgi，Helen Quinn，Steven Weinberg 與 Sheldon Glashow 等人的工作，大統(tǒng)一理論（Grand Unified Theory）正式被提出，并明確預言了質(zhì)子的衰變。

強弱電三種力的強度在超高能量時趨于一致。

圖片來源：The Particle Adventure

1974年，哈佛大學的Howard Georgi與Sheldon Glashow提出首個真正意義上的大統(tǒng)一理論，后來被稱為最小SU(5)模型。根據(jù)該理論，強、弱、電磁三種相互作用在非常高的能量下會成為同一種相互作用。它同時預言，質(zhì)子可以通過某質(zhì)量極大的中間粒子進行衰變。只不過在實驗室能量下，質(zhì)子通過該粒子衰變的可能性極小，因而質(zhì)子的壽命非常長。最小SU(5)模型預言質(zhì)子的壽命可以長達10^30年，其他一些更為復雜的大統(tǒng)一理論則可以給出更長的質(zhì)子壽命。當然，同樣的衰變機制也適用于中子，在大統(tǒng)一理論中，束縛于原子核中的中子與質(zhì)子的壽命相當。

不同大統(tǒng)一理論給出的質(zhì)子壽命范圍以及相關(guān)探測器的可探測范圍。

圖片來源：Hyper-Kamiokande

大統(tǒng)一理論還預言，質(zhì)子最可能通過產(chǎn)生一個正電子及一個電中性的π介子而衰變。產(chǎn)生的正電子與 π 介子都具有相對較高的能量，并且它們在產(chǎn)生后朝相反的方向飛出。由于這種高能量粒子“背對背”飛出的過程幾乎不可能從質(zhì)子衰變以外的事件中產(chǎn)生，因此這個衰變方式可以在實驗中產(chǎn)生一個較易辨認的信號。

在大統(tǒng)一理論提出以前，科學家嘗試用實驗來觀測質(zhì)子衰變，僅僅是覺得假設(shè)重子數(shù)守恒不如真正地用實驗來檢驗質(zhì)子的穩(wěn)定性。1953 年，美國洛斯阿拉莫斯科學實驗室的 Clyde L. Cowan 等人第一次開始利用大型探測器觀測質(zhì)子衰變，并給出質(zhì)子壽命下限值為 10^22 年。在其后的 20 年，人們不斷推高了質(zhì)子壽命的下限。在 1974 年大統(tǒng)一理論提出以后，關(guān)于質(zhì)子衰變的實驗研究也被改變了。大統(tǒng)一理論明確預言了質(zhì)子的衰變，并且預測了質(zhì)子的壽命，這給了實驗更加明確的目標與方向。

大統(tǒng)一理論預言的一種質(zhì)子衰變模式。

圖片來源：Hyper-Kamiokande

搜尋質(zhì)子衰變

首個大統(tǒng)一理論給出的質(zhì)子壽命長達 10^30 年，而宇宙的年齡也不過 10^10 年，我們顯然不可能只觀測一個質(zhì)子，直到其衰變?yōu)橹埂嶋H上，質(zhì)子的壽命指的是其半衰期，意思是樣品中所有的質(zhì)子衰變掉一半所需的時間，而非所有質(zhì)子在 10^30 年時同時衰變。因此，如果我們監(jiān)測含有大量質(zhì)子的極大質(zhì)量物質(zhì)，那么每年都應該觀測到個別質(zhì)子的衰變。

為了監(jiān)測質(zhì)子的衰變，我們需要盡量排除其他背景信號的干擾。比如，宇宙射線在地表附近可以產(chǎn)生具有各種能量的各類粒子。為了減少它們的干擾，探測器往往被深埋于地下的各種隧道或礦井之中。來自宇宙射線的質(zhì)子、中子或者 π 介子等粒子，可以被數(shù)米厚的屏蔽層吸收。但是，μ 子在穿過物質(zhì)時丟失能量很慢，因此為了屏蔽它，我們需要數(shù)千米厚的屏蔽層。

各種各樣的宇宙射線。圖片來源：physicsopenlab

對于中微子來說，屏蔽它們幾乎是不可能的。實際上，每時每刻都有大量中微子穿透整個地球而幾乎不發(fā)生任何反應。當然，這也意味著大多數(shù)中微子會直接穿過探測器而不會發(fā)生任何干擾，不過總有個別中微子會干擾探測器。雖然中微子的干擾無法避免，但是我們還是可以將它們產(chǎn)生的信號與質(zhì)子衰變的信號區(qū)分開來，從而將其剔除掉。

其他的干擾主要來自于無法徹底屏蔽的天然放射性現(xiàn)象。比如，實驗中使用的屏蔽材料以及探測器本身都含有原子核，它們都可能產(chǎn)生輻射。不過，來自放射性原子核的輻射一般比較容易辨別，因為它們產(chǎn)生的能量往往不到質(zhì)子衰變所釋放能量的百分之一，因此簡單地通過測量能量就可以排除這類干擾。

除了屏蔽背景干擾之外，監(jiān)測質(zhì)子的衰變還需要記錄探測材料中發(fā)生的各種反應，這就需要建造大型的探測器。當前觀測質(zhì)子衰變的主要實驗是位于日本神岡的的超級神岡探測器（Super-Kamiokande），它位于一個深達 1000 米的廢棄砷礦中，是一種水切倫科夫探測器。

超級神岡探測器

水切倫科夫探測器的原理基于 1934 年蘇聯(lián)物理學家 Pavel A. Cerenkov 發(fā)現(xiàn)的切倫科夫效應：當帶電粒子以超過介質(zhì)中光速的速度穿過介質(zhì)時，會發(fā)出切倫科夫輻射。它與超音速飛行器或子彈的音爆現(xiàn)象類似，產(chǎn)生的輻射集中在一個錐體內(nèi)。

該類探測器的優(yōu)點有很多。其一，位于水分子中的氫原子中的質(zhì)子不會與其他粒子一起構(gòu)成復雜的原子核，因此質(zhì)子衰變時產(chǎn)生的信號十分干凈。其二，由于探測質(zhì)子衰變需要監(jiān)測大量物質(zhì)，用水作為探測物質(zhì)的話，成本不會很高。其三，帶電粒子產(chǎn)生的光信號要比粒子本身在水中運動的距離更遠，從而使得放置在水周圍的探測設(shè)備可以接收到光信號。

尚未注滿水的超級神岡探測器，周圍布滿了光電倍增管，

研究人員正乘船檢測與維護光電倍增管。

圖片來源：Super-Kamiokande

在超級神岡探測器中，高 41.4 米、直徑 39.3 米的不銹鋼圓柱形容器中盛有 5 萬噸高純度的水。容器的內(nèi)壁上安裝有 11200 個光電倍增管，用于探測高速帶電粒子在水中經(jīng)過時產(chǎn)生的切倫科夫輻射。它們必須對光信號非常敏感，這是由于單個帶電粒子產(chǎn)生的切倫科夫輻射在五米外的亮度，僅僅與一個普通閃光燈泡在月亮一樣遠的地方產(chǎn)生的亮度相當。

當水中的質(zhì)子或中子衰變并產(chǎn)生切倫科夫輻射時，光電倍增管中會產(chǎn)生電信號，信號的大小及到達時間將被記錄下來用以進一步分析。中性的 π 介子并不產(chǎn)生輻射信號，但它可以通過衰變時產(chǎn)生的帶電粒子而被間接地探測到。

多個粒子在超級神岡探測器中產(chǎn)生的多個切倫科夫環(huán)。

圖片來源：UC Irvine

研究人員通過仔細分析、篩選探測器記錄的各種信號，將最后無法歸結(jié)于其他反應的一些事例設(shè)為質(zhì)子或中子衰變的候選事例，并用它們來計算質(zhì)子或中子壽命的下限值。在上個世紀 80 年代，科學家已經(jīng)給出了質(zhì)子衰變?yōu)檎娮蛹?π 介子的壽命下限， 1.7×10^32 年，這超過了最小 SU(5) 模型所預言的質(zhì)子壽命，所以也意味著最簡單的大統(tǒng)一模型并不能正確地給出質(zhì)子壽命。

2017 年，超級神岡探測器已經(jīng)將質(zhì)子衰變?yōu)檎娮蛹?π 介子的壽命下限提高到 1.6×10^34 年。但在這之前，其他類型的大統(tǒng)一理論也相繼被提出，例如最小超對稱 SU(5) 模型，F(xiàn)lipped SU(5) 模型以及 SO(10) 模型等等，它們可以給出長達 10^35 年的質(zhì)子壽命，長于目前實驗給出的下限值。因此，這些理論模型仍需實驗的進一步檢驗。

值得指出的是，雖然神岡實驗的最初目的是尋找質(zhì)子衰變，但至今仍未明確觀測到相關(guān)信號，不過它在中微子研究領(lǐng)域成果豐碩。1985 年，神岡探測器發(fā)現(xiàn) μ 子中微子與電子中微子的比例比理論預言的要小，從而發(fā)現(xiàn)所謂的“大氣中微子反常”現(xiàn)象。1987 年，神岡探測器第一次探測到大麥哲倫星系中超新星爆發(fā)（SN1987A）產(chǎn)生的超新星中微子，證實了超新星爆發(fā)理論的正確性，并開啟了中微子天文學時代。小柴昌俊也因此榮獲 2002 年諾貝爾物理學獎。1998 年，超級神岡探測器首次探測到大氣中微子的振蕩，使得梶田隆章榮獲 2015 年的諾貝爾物理學獎。此外，該探測器還發(fā)現(xiàn)了地球中微子及反中微子的振蕩現(xiàn)象。

前路漫漫

時至今日，質(zhì)子衰變?nèi)匀粵]有被明確地觀測到。那么，質(zhì)子究竟會衰變嗎？當下，各種大統(tǒng)一理論給出的質(zhì)子壽命不盡相同，使得質(zhì)子衰變實驗缺乏非常清晰的目標：質(zhì)子的壽命也許剛剛超出當前探測器的探測范圍，也許遠遠超過當前探測器的探測范圍。

當然，我們可以通過改進探測器進一步提高質(zhì)子壽命的下限值，但也不可能永遠這樣發(fā)展下去。質(zhì)子壽命的下限越高，我們所需的探測設(shè)備就越大，造價也會越高，同時背景干擾也越來越多，而這些可能會徹底掩蓋質(zhì)子衰變的信號。

盡管問題仍然懸而未決，但找尋質(zhì)子衰變的意義十分重大。首先，觀測到質(zhì)子衰變將是實驗物理學的巨大成就。其次，質(zhì)子衰變植根于宇宙的基本規(guī)律等深層次問題，如果得以發(fā)現(xiàn)，我們便可以明確地知道重子數(shù)并不守恒，并依此來檢驗大統(tǒng)一理論，間接地研究超高能量下的物理。當然，質(zhì)子是否衰變也會決定星體、星際物質(zhì)的演化乃至我們整個宇宙的命運。

參考文獻

1. Search for proton decay via pe+π0 and pμ+π0 in 0.31??megaton·years exposure of the Super-Kamiokande water Cherenkov detector, The Super-Kamiokande Collaboration, Phys. Rev. D 95, 012004 (2017).

2. Search for nucleon decay into charged antilepton plus meson in 0.316 megaton · years exposure of the Super-Kamiokande water Cherenkov detector, The Super-Kamiokande Collaboration, Phys. Rev. D 96, 012003 (2017).

3. The Decay of the Proton, Steven Weinberg, Scientific American (1981).

4. The Search for Proton Decay, M. LoSecco, Frederick Reines and Daniel Sinclair, Scientific American (1985).

5. The Search for Proton Decay, Frank Close, Nature 292 (1981).

6. H. Georgi and S. L. Glashow, Unity of All Elementary Particle Forces, Phys. Rev. Lett. 32, 438 (1974).