Нестабилен ли е протонът? Учени откриха трети възможен начин за неговото разпадане

Учените надникнаха във вътрешността на планетата, за да проверят една стара хипотеза от 70-те години на миналия век.

Протонът е една от най-стабилните частици във Вселената. В продължение на почти половин век обаче физиците се питат дали той все пак може да се разпадне. В рамките на т.нар. велики обединени теории (GUT), разработени през 70-те и 80-те години на миналия век, се приемаше, че разпадът е възможен. Експериментите все още не са открили нито един подобен случай, но не изключват тази възможност: долната граница на средния живот на протона е около 10³⁴ години – това е с 20 порядъка повече от възрастта на самата Вселена.

Но какво ще стане, ако тази стабилност не е универсална константа? Двама физици от Националната лаборатория Брукхейвън в САЩ, Питър Дентън и Хуман Давудиасл, решиха да погледнат на въпроса по друг начин: може ли протонът да се разпадне по-бързо – в други части на космоса или в миналото? В статията си, публикувана наскоро в списание Physical Review D, те предполагат, че разпадът наистина е възможен, ако разгледаме алтернативни сценарии, при които крайните продукти на разпада са не само познатите ни частици, но и хипотетични такива – като например частиците на тъмната материя.

В класическите GUT прогнози протонът може да се разпадне по два основни начина: на неутрален пи-мезон и позитрон или на положителен пи-мезон и неутрино. Но авторите на новата научна работа разглеждат и трети вариант, включващ положителен пи мезон и „тъмен фермион“ – частица, свързана с тъмната материя. Ако такава частица съществува и нейната маса е по-малка от масата на протона минус масата на пи-мезона, разпадът може да е по-бърз, отколкото показват лабораторните данни. Например, по-бързо от границата, определена от японския детектор Super-Kamiokande.

За да оценят възможната скорост на такъв разпад, учените разглеждат два обекта: желязното ядро на Земята и неутронна звезда. Ако протоните се разпадат, освобождавайки топлина, това би трябвало да се отрази на състоянието на ядрото на нашата планета. Сега е известно, че вътрешното ядро на Земята е в твърдо състояние, и геолозите смятат, че това продължава от 0,7 до 4,2 милиарда години. Според изчисленията на авторите, ако разпадът на протоните протича със скорост, при която се отделя четири пъти повече топлина, отколкото се наблюдава сега (около 10¹³ вата), ядрото не би могло да остане твърдо. Това поставя долната граница на продължителността на живота на протона на 2 × 10¹⁸ години.

Вторият обект е пулсарът PSR J2144-3933, най-хладната известна неутронна звезда с температура под 42 000 К и възраст около 300 милиона години. Като знаем масата ѝ (около 1,4 слънчеви маси) и приемем, че протоните съставляват около 10% от барионния ѝ състав, можем да пресметнем колко топлина би се освободила при разпадането на протоните. Оказва се, че дори в този случай изчисленията дават долна граница на продължителността на живота на протоните от около 1,5 × 10¹⁸ години, което напълно съвпада с оценката за земното ядро.

Авторите разглеждат и други източници на възможни ограничения. Например данните от космическия микровълнов фон и разпада на тъмната материя дават друга граница от около 2 × 10¹⁷ години. Те са проучили и различните екзотични техники за „палеодетектори“, при които се търсят следи от разпадане на протоните в минерали като оливин, които биха могли да бъдат пренесени от Луната и да се намират дълбоко под земята в продължение на няколко милиарда години. Такива изследвания биха могли да определят колко протони са се разпаднали през цялото това време.

Друго косвено потвърждение за стабилността на протоните идва от анализите на природния газ: при него е измерено изключително ниско съотношение на въглеродните изотопи ^14C и ^12C – около 2 × 10-¹⁸. Ако протоните се разпадаха често, те щяха да бъдат допълнителен източник на ^14C, а това не се наблюдава. Така се появява друга граница от около 10¹⁹ години.

Теоретичният аспект също е интересен: Давудиасл предполага, че ако съществува хипотетична сила с голям обсег на действие, която може да влияе на масата на частицата, в която се разпада протонът, то тогава протонът може да стане по-малко стабилен в определени моменти от време или в различни краища на Вселената. Например, когато една слънчева система се движи в рамките на галактиката, преминавайки през региони с различно разпределение на подобни сили, това може да промени вероятността за разпад. По този начин стабилността на протона може би не е нито вечна, нито универсална, а зависи от космическия контекст.