Распад пратона

Распад пратона — гіпатэтычная форма радыеактыўнага распаду, у выніку якой пратон распадаецца на лягчэйшыя субатамныя часціцы, напрыклад (нейтральны) піон і пазітрон. Гэта з’ява да гэтага часу не назіралася, але магчымасць даказаць яе рэальнасць выклікае нарастаючую цікавасць у сувязі з перспектывамі «тэорыі вялікага аб’яднання» (GUT: Grand Unified Theory) .

Пратон доўгі час лічыўся абсалютна стабільнай часціцай, хоць для такой упэўненасці ніколі не было сур’ёзных падстаў, бо, відаць, не існуе фундаментальнага закона фізікі, які забараняў бы яго распад Searches for Proton Decay and Superheavy Magnetic Monopoles. B. V. Sreekantan.. Забарона распаду пратона (самага лёгкага з барыёнаў) звязана з эмпірычным законам захавання барыённай колькасці, аднак сам гэты закон не мае глыбокага тэарэтычнага абгрунтавання — велічыня, якая захоўваецца, не звязана з якой-небудзь прасторава-часавай сіметрыяй (у адрозненне, напрыклад, ад закону захавання энергіі) і не мае характару калібравальнага зарада (у адрозненне, напрыклад, ад закона захавання электрычнага зараду).

Варта адзначыць, што ў выпадку нестабільнасці пратонаў усе атамныя ядры з’яўляюцца радыеактыўнымі (хоць і з вельмі вялікімі перыядамі паўраспаду).

 Гісторыя 
Магчымасць распаду пратона выклікае цікавасць фізікаў яшчэ з 30-х гадоў XX стагоддзя, але ў апошнія дзесяцігоддзі гэтая праблема набыла асабліва вялікае значэнне. Нягледзячы на тое, што меркаванне аб абсалютнай стабільнасці пратона заўсёды абапіралася на хісткія тэарэтычныя дапушчэнні, гэта пытанне прыцягвала мала увагі да 1974 года, пакуль не быў распрацован шэраг тэарэтычных мадэлей вялікага аб’яднання (GUT), у якіх распад пратона не толькі дазволены, але і яўна прадказваецца.

Першымі такую спробу ажыццявілі ў 1973 годзе Абдус Салам і Джогеш Паці (Imperial College, Лондан). Праз некалькі месяцаў Гарвардскія фізікі-тэарэтыкі Шэлдан Глэшоу і Говард Джорджы выклалі ўласную версію GUT, прапанаваўшы першыя мадэлі разліку часу жыцця пратона.

У самых простых варыянтах гэтых мадэлей атрымліваюцца значэнні часу жыцця (большыя за  гадоў), якія на шмат парадкаў перасягаюць ўзрост Сусвету (прыкладна )BBC Focus, февраль 2008. The World’s Greatest Mysteries. Proton’s Decay. Robert Mathews. pp. 68-73.. Мінімальная SU(5)-мадэль прадказвала час жыцця пратона пры распадзе на піон і пазітрон парадку . Эксперыменты, выкананыя да 1990 г. (Kamiokande і шэраг іншых), паказалі, што час жыцця пратона пры распадзе па гэтаму каналу пераўзыходзіць гэту велічыню. У выніку мінімальная SU(5)-мадэль вялікага аб’яднання была «закрыта». На сёння лепшае абмежаванне на час жыцця пратона пры распадзе па гэтаму каналу складае 8,2 гадоў (эксперымент Super-Kamiokande) K. Nakamura et al. (Particle Data Group), JP G 37, 075021 (2010) and 2011 partial update for the 2012 edition. Particle Listings: Proton..

Акрамя таго, незахаванне барыённага ліку прадказваецца ў тэорыях суперсіметрыі, і выяўленне распаду пратона пацвердзіла б яе правільнасць, а таксама патлумачыла б парушэнне суперсіметрыі ў цяперашні час. Пры гэтым варта адзначыць, што хоць спантанны распад пратона і не забаронены законам захавання энергіі, імавернасць гэтага працэсу вельмі малая з-за велізарнай масы прамежкавай віртуальнай часціцы, якая павінна пры гэтым нараджацца. Напрыклад, мінімальная SU(5)-мадэль прадказвае з’яўленне ў гэтым выпадку прамежкавай віртуальнай часціцы з масай .

 Эксперыментальны пошук 
Распад пратона — выпадковы працэс, таму было прапанавана ў якасці аб’екта назірання выбраць вялікі аб’ём вады, у адным кубаметры якой утрымліваецца каля  (з іх каля паловы пратонаў). Калі тэорыя Глэшоу і Джорджы дакладная, і кожны пратон мае адзін шанц з ~1031 распасціся за адзін пэўны год, то тэарэтычна назіранне распаду хаця б некалькіх пратонаў у шматтоннай воднай мішэні на працягу года павінна быць рэальным.

Фізікі арганізавалі некалькі буйнамаштабных эксперыментаў, у ходзе якіх меркавалася назіраць распад хаця б адзінкавых пратонаў. З-за таго, што ўспышкі так званага чаранкоўскага выпраменьвання, якія і сігналізуюць аб утварэнні новых часціц (у тым ліку, у выніку распаду пратона), могуць выклікацца касмічнымі прамянямі, было вырашана праводзіць эксперымент глыбока пад зямлёй. Дэтэктар IMB (Irvin-Michigan-Brookhaven) размясціўся ў выпрацоўках былых саляных капалень на беразе возера Эры ў штаце Агаё. Тут 7000 тон вады былі акружаны 2048 фотамножнікамі. Паралельна ў Японіі група навукоўцаў Такійскага ўніверсітэта і шэрагу іншых навуковых арганізацый у падземнай лабараторыі Каміока стварыла дэтэктар Каміакандэ (Кamiokande — Кamioka Nucleon Decay Experiment), дзе 3000 тон вады праглядаліся 1000 фотамножнікамі. Аднак да канца 80-х гадоў ні аднаго выпадку распаду пратона зафіксавана не было. У 1995 годзе даследчая група Каміакандэ пабудавала новы дэтэктар, павялічыўшы масу вады да 50 000 тон (Super-Kamiokande). Назіранні на гэтым дэтэктары працягваюцца па гэты дзень, але вынік пошукаў распаду пратона на дасягнутым узроўні адчувальнасці па-ранейшаму адмоўны.

Акрамя распаду на піон і пазітрон (бягучае абмежаванне на час жыцця па гэтаму каналу, як адзначана вышэй, складае 8,2 гадоў), выконваліся эксперыментальныя пошукі звыш 60 іншых варыянтаў каналаў распаду, як для пратона, так і для нейтрона (у апошнім выпадку маецца на ўвазе не стандартны бэта-распад нейтрона, а распад з незахаваннем барыённага ліку, напрыклад ). Асноўны канал распаду, наогул кажучы, невядомы, таму ўстанаўліваюцца таксама эксперыментальныя ніжнія абмежаванні на час жыцця пратона незалежна ад канала распаду. Лепшае з іх на бягучы момант роўна . Ніжняе абмежаванне на час жыцця пратона пры распадзе з утварэннем толькі «нябачных» часціц (гэта значыць тых, якія не ўдзельнічаюць у моцным або электрамагнітным узаемадзеяннях, напрыклад нейтрына) складае . Варта адзначыць, што распад пратона па «нябачных» каналах парушае законы захавання не толькі барыённага ліку, але і электрычнага зараду; гэта не адносіцца да распаду нейтрона.

Хоць чакаецца, што часы жыцця пратона і антыпратона аднолькавыя, былі атрыманы эксперыментальныя ніжнія абмежаванні на час жыцця антыпратона. Яны значна саступаюць абмежаванням на час жыцця пратона: лепшае абмежаванне — толькі каля .

Некаторыя тэорыі прадказваюць таксама распад пар або троек нуклонаў (з змяненнем барыённага ліку на 2 ці 3 адзінкі) пры стабільнасці адзіночных нуклонаў. Для розных каналаў распаду «дынуклонаў» (пар, , ) у ядрах жалеза устаноўлены ніжнія абмежаванні на час жыцця ядра на ўзроўні адзінак .

Такім чынам, устаноўлена, што пратон як мінімум у 1000 разоў больш устойлівы, чым гэта прадказана ў мінімальнай SU(5)-тэорыі Глэшоу і Джорджы. У розных варыянтах тэорыі суперсіметрыі час жыцця пратона прадказваецца на ўзроўні ўстаноўленых у цяперашні час абмежаванняў і вышэй. Для праверкі гэтай тэорыі быў арганізаваны праект LAGUNA The Laguna Project  з адчувальнасцю на ўзроўні . Мяркуецца таксама, што важную ролю ў вырашэнні гэтай праблемы адыграе Вялікі адронны калайдэр, з дапамогай якога можна было б эксперыментальна пацвердзіць тэорыю суперсіметрыі.

 Гл. таксама 
 Барыённы лік
 Распад нейтрона

 Спасылкі 
 Кампіляцыя эксперыментальных дадзеных па часе жыцця нуклонаў на сайце Particle Data Group 
 The Laguna Project 
 Распад пратона і «цеплавая смерць» Сусвету. John A Gowan, Cornell University
 УФН, 1982. С. Вайнберг. Распад протона
 И. В. Савельев. Единая теория взаимодействий
 Cosmicum. Элементарныя часціцы і сілы у прыродзе 

Катэгорыя:Ядзерная фізіка
Катэгорыя:Фізіка элементарных часціц
Катэгорыя:Фізічныя гіпотэзы
Катэгорыя:Нявырашаныя праблемы сучаснай фізікі