Фундаментальная структура материи. Протоны не вечны

Протоны не вечны (?)

Как говорят, ничто не вечно; поэтому вполне можно предположить, что в конечном счете протон распадается. Согласно предсказаниям теории, его время жизни очень велико — около 10³² лет, так что из 1000 т протонов за год должны распадаться всего лишь три. Обнаружение распада протона требует постановки очень трудоемких подземных экспериментов (это необходимо для уменьшения фона космических лучей); в настоящее время в некоторых лабораториях ведется подготовка к их проведению. Если время жизни протона действительно составляет 10³² лет, то его распад удастся обнаружить лишь при многолетних наблюдениях.

Почему протон должен распадаться и почему этот процесс столь важен? В конце концов наша Вселенная существует всего лишь около 10¹⁰ лет, человеческая (или любая другая) жизнь во Вселенной может существовать лишь в течение малой доли этого периода, так что по сравнению с этими масштабами 10³² лет по существу представляется вечностью. Однако, как мы полагаем, интерес к стабильности протона связан с характером тех процессов, в результате которых возникла и развивалась наша Вселенная. Если исключить гравитацию, которая при энергиях, достигаемых на современных ускорителях, не оказывает заметного влияния на частицы, то различают три типа взаимодействий: сильное, электромагнитное и слабое с относительными интенсивностями взаимодействия порядка 1, 10^-2 и 10^-6 соответственно. Сейчас считается твердо установленным, что при достаточно высоких энергиях электромагнитные и слабые взаимодействия объединяются. Оба эти взаимодействия рассматриваются как различные аспекты так называемого электрослабого взаимодействия, переносимого фотоном и промежуточными векторными бозонами, масса которых в несколько десятков раз превосходит массу протона. В то же время из рассмотрения структуры протона в рамках КХД следует, что при высоких энергиях сильные взаимодействия между кварками становятся менее интенсивными. Тогда при некоторых чрезвычайно высоких энергиях они могли бы стать сравнимыми с электромагнитными и слабыми взаимодействиями. Удивительно, что если использовать данные, полученные при доступных пока энергиях, и провести эту фантастическую экстраполяцию, то оказывается, что все три типа взаимодействий должны сравняться, по-видимому, в области энергий порядка 10¹⁴ ГэВ. Иными словами, возможно, что существует некая более высокая симметрия, в которой новые очень массивные бозоны с массой, эквивалентной энергии около 1014 ГэВ, являются переносчиками Великого объединенного взаимодействия.

В этой схеме сильное, электромагнитное и слабое взаимодействия при энергии выше 10¹⁴ ГэВ были бы различными проявлениями одного универсального взаимодействия и каждое из них потеряло бы свою индивидуальность. Кварки, которые ранее можно было отличить по их сильному взаимодействию, имели бы ту же связь с универсальной силой, что и лептоны, прежде участвовавшие только в электрослабом взаимодействии. При этом нам открывается новый мир лептокварковых массивных бозонов — переносчиков сил в теориях Великого объединения. Эти частицы могут превращать кварки в лептоны и кварки в антикварки. Тогда протон, состоящий из трех кварков, может преобразоваться в лептон и мезон (пару кварк — антикварк); распад протона мог бы, например, проходить по следующей схеме: р ® е⁺ + p°. Разумеется, в земных условиях мы даже не можем приблизиться к таким энергиям. Протон может испытать распад только посредством виртуального лептокварка, однако ввиду огромной массы этих бозонов такой распад очень сильно подавлен. Изложенная теория обладает и другими привлекательными чертами. Она естественным образом объясняет дробные заряды кварков (утверждая, что целочисленные заряды должны быть получены только путем суммирования по всем трем цветам кварков). Эта теория объясняет также строгое равенство величины зарядов электрона и протона. Однако единственным предсказанием теории, которое можно было бы проверить прямым измерением, является, по-видимому, распад протона.