质子是宇宙中最稳定的粒子吗？

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自19世纪发现放射性以来，人类终于意识到：宇宙中没有永恒的东西，一切都会消失。放射性不仅限于铀，还有其他各种各样的元素和同位素，包括比元素周期表中的铅重的每个元素，还有粒子中底部或顶部的夸克，μ子和τ子， 甚至中子。

图注：诸如超级神冈(Super-Kamiokande)这样的实验，它包含着巨大的（富含质子的）水罐，周围环绕着探测器阵列，是人类寻找质子衰变的最敏感的工具。到2020年初，我们只有潜在的质子衰变的限制，但始终没有检测到相关的有信号。

足以让人怀疑我们所知道的最轻的“稳定”复合粒子（质子）究竟是否真正稳定，或者如果我们等待足够长的时间，它最终是否会衰变。即使宇宙只有138亿年的历史，我们已经可以自信地说质子至少在大约10^34年内是稳定的。

图注：质子的内部结构，显示夸克、胶子和夸克自旋。核力的作用就像弹簧，当未拉伸但巨大、有吸引力的力伸展到长距离时，其力可以忽略不计。据我们所知，质子是一个真正稳定的粒子，从未被观察到衰变。

由于粒子物理学的各种守恒定律，质子只能衰变成比其本身轻的粒子。它不能衰变成中子或三个夸克的任何其他组合。衰变必须保留电荷，这告诉我们最终仍然需要带正电的粒子。为了节省能量和动量，我们需要至少产生两个粒子，而不是一个。

最后，如果我们在宇宙中丢失了一个重子（由三夸克组成），则必须添加一个前向子（如正电子或反μ子）以补偿它并保持标准模型的守恒规则 ：重子数减去轻子数不得改变。 这意味着质子可以衰减为正电子和中性介子（如介子），介子和中性介子，或反中微子和带正电的介子。

图注：人体中的元素。虽然，从质量，我们主要是氧气，碳，氮和氢，有几十个元素，在人体内的生命过程是必不可少的。有超过10^28个质子组成一个典型的成年人体。

仅仅从我们自己身体，我们可以学到一些关于质子有多稳定的迷人的东西。考虑到我们每个人都主要由质子和中子混合组成，我们体内大约有2×10^28个质子。然而，为了保持我们作为哺乳动物的平衡温度，一个典型的成年人类必须输出大约100瓦的连续功率。

如果我们忽视我们的生物代谢，并假设这种热能100%来自衰变的质子，那就意味着大约7000亿个质子会在每一秒内衰变。但是，考虑到我们在任何特定时间拥有的质子数量，这意味着只有每30万亿分之一的质子每秒会衰减。仅仅通过探测我们自己的身体，这相当于质子的最小寿命约10亿年。

图注：质子衰变的两种可能途径从其基本成分粒子的转化中阐明出来。这些过程从未被观察到，但理论上在标准模型的许多扩展中是允许的，例如 SU（5） 大统一理论。

但是，通过进行旨在寻找质子衰变的实验，我们可以做得更好。如果你所做的只是只用一个质子，等待138亿年——整个宇宙的年龄——你可以确定它的半寿命可能比你等待的总时间长。

但是，如果我们收集了大约10^30个质子，只等了一年，如果它们都没有衰变，我们就能说它的半衰程可能比10^30年长。如果我们收集了100倍的质子（10^32），并等待了十年（10年），而不是仅仅一年，你就能得出结论，质子的半寿命超过10^33年。简而言之：

我们收集的质子越多，我们对其中一个质子的衰变就会更敏感，我们等的时间越长

我们对质子稳定性的限制就越大。

图注：无论是在星系团、星系、我们自己的恒星附近还是我们的太阳系中，我们对宇宙中反物质的分之子都有巨大而强大的限制。毫无疑问：宇宙中的一切，从行星到恒星，从星系团到星系间介质，都是以物质为主导的。

从理论上讲，有充分理由认为质子可能根本不稳定。事实上，整个我们的宇宙似乎是由物质而不是反物质构成的。无论我们在哪里，在广阔的宇宙里，我们看到压倒性的证据表明，每一个恒星，星系，星系团，甚至星系间介质都是物质构成的。

反物质几乎找不到，它仅由高能过程产生，它能产生等量物质和反物质的高能。我们可以为解释宇宙不对称而制造的每一个场景都需要新的物理学存在，其中每一个场景都需要存在新的粒子，这些粒子将在非常高的能量下出现。例如，在大统一理论（GUTs）中，预测了新的超重X和Y玻色子的存在，它们可以解决我们宇宙物质反物质不对称的难题。

图注：同样对称的物质和反物质（X 和 Y，反 X 和反 Y）玻色子集合，具有正确的 GUT 特性，可以产生我们今天在宇宙中找到的物质/反物质不对称。然而，我们假设，我们今天观察到的物质反物质不对称是否有一个物理意义的解释，而不是神的解释，但我们还不能确定。

问题是：为了创建物质反物质不对称，你需要一个新的粒子。而新粒子所需的反应必须以某种方式与质子耦合，这告诉我们质子的质量（到某些能量）和这个新粒子的质量（到同样的功率减去1）的某种组合与质子的理论寿命相对应。对于大多数我们发明的模型，预测寿命的工作时间介于 10^31 到 10^39 年之间。

在每一升水中，大约有3×10^25个氢原子，这意味着还有许多单独的质子。如果你收集了一百万升水，等待了一年，你可以以有意义的方式测量质子的寿命，开始推动这些GUTs和其他理论（超对称、超引力、弦理论等）预测的界限。

图注：装满水的超级神冈实验水箱，对质子的寿命设定了最严格的限制。这个巨大的罐子不仅装满了液体，而且内衬着光电倍增管。当相互作用发生时，如中微子撞击、放射性衰变或（理论上）质子衰变，契伦科夫辐射光产生，并可以通过光电倍增管检测，使我们能够重建粒子的特性和起源。

从20世纪80年代初开始，物理学家们就试图做到这一点。在日本的一个老矿神冈，物理学家建造了一个巨大的罐子，里面装满了液体，里面装满了我们所希望的所有质子。他们保护了箱体免受宇宙射线、地球上的放射性物质以及他们所能想到的任何其他干扰源的影响，同时在箱体内装有大量的光电倍增管。

如果任何质子衰变，它们会产生带电粒子（正电子、反子或离子），以及额外的衰变产物（如光子或电子淋浴），从而产生光倍增器可以看到的光信号。多年来，这个实验一直在寻找质子衰变：神冈核衰变实验。

图注：中微子事件，由切伦科夫辐射环识别，沿射图器管排列在探测器壁上，展示了中微子天文学的成功方法，并利用了切伦科夫辐射。这张图片显示了多个事件，是一套实验的一部分，为加深对中微子的理解铺平了道路。1987年探测到的中微子标志着中微子天文学的曙光，标志着核衰变实验被重新命名为中微子探测器实验。

当然，它没有发现任何质子衰变。然而，在1987年，发生了一些壮观的事情：一颗超新星在大麦哲伦云中，在距离地球只有168，000光年的地方爆炸。甚至在这次事件的光到来之前，在这个恒星的坍塌核心中产生的中微子也出现了，并与这个巨大的罐子中的原子核相互作用。（以及世界各地的其他类似实验）。

实验装置，包括光电倍增管，经过优化，用于检测衰变的质子，也非常善于探测中微子。虽然质子没有衰变，但中微子确实存在，并且与足够大的物质集合相互作用。神冈核衰变实验，被重新命名为神冈中微子探测器实验。它随后被多次扩展，并与冰立方（IceCube）、萨德伯里(SNOLAB)等一起，在少数世界级的中微子观测站中赢得一席之地。

图注：萨德伯里(SNOLAB)中微子观测站，它有助于证明中微子振荡和中微子的浩大。萨德伯里与世界各地的许多中微子观测站一起，帮助将现代物理学中对质子衰变的一些最严格的约束因素放在了一起。

但随着时间的推移，对质子衰变周期的限制变得越来越严格。最近对2010年代数据的分析，正电子衰变通道和反μ子衰变通道对现在超过10^34年质子的寿命提出较低的限制。最简单的方法，如Georgi-Glashow unification已被彻底排除在外，除非宇宙是超对称的，并包含额外的维度，而即使这些场景预计将在2020年晚些时候下降。

唯一未探索的"漏洞"可能是，真正自由质子实际上相当罕见，因为我们通常发现它们结合在较重的核、分子和原子中。氢原子中的"自由质子"的质量仍比没有电子结合的质子低约0.00001%。当一个自由中子在大约15分钟内衰变时，在较重的原子核中结合在一起的中子可以永远稳定。我们测量的质子可能因为不能完全自由，可能并不代表真正的质子的寿命。

图注：我们在所有实验仪器中观察到的所有质子，我们从未见过与质子衰变一致的事件。

然而，没有争论，在我们所有的努力来衡量质子的稳定性，我们从来没有观察到，甚至一个事件，质子自发衰变到较轻的粒子，并违反了重子数守恒定律。如果质子是真正稳定的，永远不会衰变，这意味着大量的标准模型扩展——大统一理论、超对称、超重力和弦理论——无法描述我们的宇宙。

不管质子是真的永久稳定还是"唯一"在宇宙的当前年龄稳定，我们唯一的办法就是进行关键实验，观察宇宙的表现。我们有一个几乎完全没有反物质而是充满物质的宇宙，没有人知道为什么。如果质子被证明是真正稳定的，那么是什么可能导致它将被排除在外，这是我们在未来需要研究明白的课题。

大自然的秘密可能会在一段时间保持神秘，但只要我们继续寻找，我们总会有新的革命性发现。

原文地址：今日头条

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永远不会衰变的粒子表明它也没有来源之处，是无始无终的存在，将会直接导致大爆炸理论的终结。