Распад протона

На той неделе, когда ЦЕРН оповестил мир об открытии Z‑частицы, Стивен Вайнберг находился на заседании Королевского общества в Лондоне. Он заявил, что весьма пессимистически смотрит на будущее фундаментальной физики. Такой прогноз мог показаться неожиданным. Как может Вайнберг, чья теория как раз на этой неделе получила столь блестящее подтверждение, пессимистически смотреть на развитие физики?

Подобно многим выдающимся физикам‑теоретикам, Вайнберг на несколько шагов опередил экспериментаторов. Его интересы уже давно переместились с электрослабой теории на Великое объединение и далее. Пессимизм Вайнберга был вызван не прекрасным положительным результатом, полученным в ЦЕРНе, а получившим меньшую огласку отрицательным результатом, сообщение о котором поступило с озера Эри.

Эксперимент на озере Эри был одним из нескольких экспериментов, повторенных в разных уголках мира, на которые возлагалась наибольшая, а возможно, и единственная надежда проверить ТВО и хотя бы мельком увидеть бледную тень физики в масштабах объединения. Все эти эксперименты преследовали одну цель – обнаружить распад хотя бы одного протона. Сенсационное предсказание ТВО нестабильности протона для большинства физиков явилось чем‑то вроде грома среди ясного неба, хотя, как я уже говорил, мысль об этом в течение нескольких лет буквально носилась в воздухе. Долгое время проводились эксперименты по определению пределов времени жизни протонов, но все эти эксперименты были выдержаны в традиционном духе. Никто всерьез не ожидал обнаружить распад протона.

Когда из ТВО выяснилось, что массы, соответствующие объединению, составляют примерно 10^14 масс протона, сразу стало ясно, что физикам никогда не удастся исследовать явления, сопутствующие Великому объединению, в прямых экспериментах. Единственной надеждой была проверка какого‑нибудь косвенного эффекта, предсказываемого ТВО, и выбор пал на распад протона. Предсказываемое теорией точное значение среднего времени жизни протона зависит от выбранного варианта ТВО, но в большинстве теорий, в том числе в простейшей из них (известной под названием минимальное SU (5), это время оценивалось примерно в 10^31 лет. Это в 10^21 раз больше возраста нашей Вселенной.

Как можно наблюдать процесс, который длится несравненно дольше возраста доступной наблюдению Вселенной? Но дело в том, что отнюдь не каждый протон живет до своего распада 10^31 лет. Согласно квантовой физике, каждый отдельный распад происходит непредсказуемо. 10^31 лет соответствует среднему времени жизни протона. Это означает, что если собрать 10^31 протонов, то можно быть уверенным, что за год‑два один из протонов распадется. Именно из этого исходят при проведении всех экспериментов по распаду протона. Многие тонны вещества размещаются вне зоны влияния космических лучей и подвергаются непрерывному контролю с целью обнаружить внезапный единичный распад протона. Космические лучи – основная помеха в таких исследованиях: они загружают чувствительные приборы всевозможными посторонними частицами. Чтобы избежать этих помех, эксперимент приходится проводить у подножия горы или в глубокой шахте. Но и в этом случае невозможно избавиться от нейтрино.

До ТВО время жизни протона по самым точным оценкам составляло 10^28 лет. Это весьма впечатляющее число, хотя оно относится к событию, которое никогда не происходило. Должно быть, это наиболее достоверный пример события, о котором известно, что оно не произойдет. Что еще заведомо известно из прямого эксперимента о том, что не произойдет по крайней мере 10^28 лет? С появлением ТВО измерения времени жизни протона обрели главный стимул. Для подтверждения ТВО точность эксперимента требовалось повысить по крайней мере в тысячу раз, а это означало необходимость более сложных и дорогих экспериментальных установок.

Перспектива обнаружить распад протона настолько завладела умами физиков, что в исследования включилось несколько групп. Одной из первых была совместная японо‑индийская группа, соорудившая глубоко под землей, в одной из шахт в Индии своего рода слоеный пирог из железных плит. Эта на первый взгляд абсолютно безжизненная глыба вещества была окружена детекторами частиц, готовыми зарегистрировать продукты распада протона. Ранней весной 1982 г. появилось первое сообщение. Было зарегистрировано несколько “событий‑кандидатов”, на основании которых время жизни протона было оценено примерно в 10^31 лет, как предсказывала простейшая версия ТВО.

Известие было встречено с огромным интересом, хотя и с определенной осторожностью. Дело в том, что даже на тон глубине, где проводился эксперимент, распад протона вполне могли имитировать космические лучи и нейтрино. Чтобы подтвердить полученные результаты и вселить уверенность в физиков, требовались другие эксперименты. Через несколько месяцев группа из ЦЕРНа, проводившая эксперимент под Монбланом, также зарегистрировала событие, внешне выглядевшее как распад протона, и интерес к распаду протона стал возрастать. Казалось, мы подошли обнадеживающе близко к порогу новой области в физике.

Большое внимание было уделено последствиям нестабильности протона. Ведь протоны – строительный материал ядерного вещества. Если протонам предстоит распасться, то это означает исчезновение в конце концов и нашей Вселенной. Произойдет это, разумеется не вдруг и не сразу. Но постепенно, на протяжении космических эпох все вещество будет неумолимо улетучиваться. Если оценка 10^31 лет верна, то это означает, что на протяжении жизни человека в его теле с вероятностью, близкой к единице, распадается по крайней мере один протон.

А как обстоит дело с другими составными частями атомов – нейтронами и электронами? Процесс, ведущий к распаду протона, может вызвать и распад нейтронов, хотя многие нейтроны претерпевают более обычный бета‑распад. Каждый протон, распадаясь, оставляет свой электрический заряд позитрону – аналогу электрона в антивеществах. Каждый образовавшийся в результате этого позитрон будет искать свою античастицу – электрон и уничтожать его в процессе аннигиляции. Поскольку вначале электронов во Вселенной было ровно столько, сколько протонов, вполне вероятно, что электрон‑позитронная аннигиляция в конце концов приведет к полному уничтожению электронов во Вселенной. Таким образом, в конечном итоге 10^40 т вещества в видимой части Вселенной однажды обратятся в прах. Печальная перспектива!

Чтобы быть уверенным в такой перспективе, физикам прежде всего необходимо удостовериться в правильности утверждения о реальности распада протона. По всему миру были проведены более точные эксперименты. Один из самых точных проводился в соляной шахте на глубине 600 м под озером Эри. Использованные в этом эксперименте протоны содержались в 8000 т тщательно очищенной воды, залитой в резервуар, имеющий форму куба с длиной ребра около 18м. В воду были погружены 2000 фотоумножителей. Им предстояло зарегистрировать мгновенные импульсы света, возникающие при движении быстрых заряженных частиц в плотной среде. Замысел состоял в том, что такие короткие вспышки света должны были свидетельствовать о появлении высокоэнергетических продуктов распада протона. Если опенка времени жизни протона 1031 лет верна, то в эксперименте на озере Эри в течение первых трех месяцев работы установки должно быть зарегистрировано несколько таких распадов. В действительности же не удалось наблюдать ни одного распада протона. Складывалось впечатление, что предыдущие сообщения были ошибочными, и надежды на то, что удастся наблюдать распад протона, начали угасать.

Этот отрицательный результат не опроверг ТВО, но, по‑видимому, исключил простейшие версии Великого объединения. Существуют более сложные теории, предсказывающие гораздо большее время жизни протона, но и в этом случае маловероятно, что мы когда‑нибудь станем свидетелями распада протона; точность экспериментов стремительно приближается к теоретическому пределу.

По мере того как становилось все яснее, что попытки обнаружить распад протона обречены на неудачу, все больше внимания стал привлекать единственно известный экспериментальный способ увидеть хотя бы смутные очертания физики, соответствующей масштабу объединения. Я имею в виду магнитный монополь.

Date: 2015-08-24; view: 437; Нарушение авторских прав