质子是否会衰变

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质子是否会衰变

中科院物理所
[color=var(--weui-FG-2)]2023-02-26 19:28
The following article is from 万象经验 Author Eugene Wang


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。

                               
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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。

                               
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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1031年。宇宙已经存在了大约137亿年，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1031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2×1034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。