Нестабилен ли е протонът? Учени откриха трети възможен начин за неговото разпадане
Учените надникнаха навътре в планетата, с цел да ревизират една остаряла догадка от 70-те години на предишния век.
Протонът е една от най-стабилните частици във Вселената. В продължение на съвсем половин век обаче физиците се питат дали той въпреки всичко може да се разпадне. В рамките на така наречен велики обединени теории (GUT), създадени през 70-те и 80-те години на предишния век, се приемаше, че разпадът е вероятен. Експериментите към момента не са разкрили нито един сходен случай, само че не изключват тази опция: долната граница на междинния живот на протона е към 10³⁴ години – това е с 20 порядъка повече от възрастта на самата Вселена.
Но какво ще стане, в случай че тази непоклатимост не е универсална константа? Двама физици от Националната лаборатория Брукхейвън в Съединени американски щати, Питър Дентън и Хуман Давудиасл, взеха решение да погледнат на въпроса по различен метод: може ли протонът да се разпадне по-бързо – в други елементи на космоса или в предишното? В публикацията си, оповестена неотдавна в списание Physical Review D, те допускат, че разпадът в действителност е вероятен, в случай че разгледаме различни сюжети, при които крайните артикули на разпада са освен познатите ни частици, само че и хипотетични такива – като да вземем за пример частиците на тъмната материя.
В класическите GUT прогнози протонът може да се разпадне по два съществени метода: на безпристрастен пи-мезон и позитрон или на позитивен пи-мезон и неутрино. Но създателите на новата научна работа преглеждат и трети вид, включващ позитивен пи мезон и „ мрачен фермион “ – парченце, обвързвана с тъмната материя. Ако такава парченце съществува и нейната маса е по-малка от масата на протона минус масата на пи-мезона, разпадът може да е по-бърз, в сравнение с демонстрират лабораторните данни. Например, по-бързо от границата, избрана от японския детектор Super-Kamiokande.
За да оценят вероятната скорост на подобен разпад, учените преглеждат два обекта: желязното ядро на Земята и неутронна звезда. Ако протоните се разпадат, освобождавайки топлота, това би трябвало да се отрази на положението на ядрото на нашата планета. Сега е известно, че вътрешното ядро на Земята е в твърдо положение, и геолозите считат, че това продължава от 0,7 до 4,2 милиарда години. Според изчисленията на създателите, в случай че разпадът на протоните протича със скорост, при която се отделя четири пъти повече топлота, в сравнение с се следи в този момент (около 10¹³ вата), ядрото не би могло да остане твърдо. Това слага 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 към 300 милиона години. Като знаем масата ѝ (около 1,4 слънчеви маси) и приемем, че протоните съставляват към 10% от барионния ѝ състав, можем да пресметнем какъв брой топлота би се освободила при разпадането на протоните. Оказва се, че даже в този случай изчисленията дават долна граница на продължителността на живота на протоните от към 1,5 × 10¹⁸ години, което изцяло съответствува с оценката за земното ядро.
Авторите преглеждат и други източници на вероятни ограничавания. Например данните от галактическия микровълнов декор и разпада на тъмната материя дават друга граница от към 2 × 10¹⁷ години. Те са проучили и другите екзотични техники за „ палеодетектори “, при които се търсят следи от раздробяване на протоните в минерали като оливин, които биха могли да бъдат пренесени от Луната и да се намират надълбоко подземен в продължение на няколко милиарда години. Такива проучвания биха могли да дефинират какъв брой протони са се разпаднали през цялото това време.
Друго индиректно удостоверение за стабилността на протоните идва от анализите на природния газ: при него е измерено извънредно ниско съответствие на въглеродните изотопи 14C и 12C – към 2 × 10-¹⁸. Ако протоните се разпадаха постоянно, те щяха да бъдат спомагателен източник на 14C, а това не се следи. Така се появява друга граница от към 10¹⁹ години.
Теоретичният аспект също е забавен: Давудиасл допуска, че в случай че съществува хипотетична мощ с огромен обхват на деяние, която може да въздейства на масата на частицата, в която се разпада протонът, то тогава протонът може да стане по-малко постоянен в избрани моменти от време или в разнообразни краища на Вселената. Например, когато една слънчева система се движи в границите на галактиката, преминавайки през райони с друго систематизиране на сходни сили, това може да промени вероятността за разпад. По този метод стабилността на протона може би не е нито безконечна, нито универсална, а зависи от галактическия подтекст.
