质子将永远坚持存在吗？为什么科学家们正在寻找衰变的迹象

为什么物质数十亿年没有崩溃？这个秘密可能始于质子。

HARD SCIENCE — NOVEMBER 5, 2024

Don Lincoln

关键要点

•宇宙的数十亿年稳定性铰在物质的构建块质子不衰变的事实上——鉴于那个衰变在自然界中是常见的一个令人惊讶的现象。

•这种稳定性被认为是由于防止像质子一样粒子崩溃的“守恒法则”。

•尽管实验还没有检测到质子衰变，但科学家们继续寻找，因为发现质子衰变将揭示对自然的基本法则的新洞察。

宇宙似乎是永恒的或者足够接近的。近140亿年来，恒星已经生存和死亡，星系已经旋转，物质已经以庄严的方式移动过整个宇宙。起初这似乎并不引人注目的——直到你意识到这种稳定性要求普通物质不衰变为止。

而这是不正常的。衰变是常见的。问任何一位房主：在你拥有你的房子几分钟后这能像你似乎陷入一个修理坏的东西的无休止循环中一样。甚至放射性物质最终衰变掉。如此是什么保持宇宙物质在宇宙时间尺度上稳定呢？对这个问题的答案科学家们不知道，他们已经建造了非常灵敏的探测器来寻找质子衰变。到目前为止质子衰变已经没有被观察到，这确定的似乎违背事物的自然秩序。

为在为什么质子可能是稳定的上有一个手柄，我们需要来了解物质是由什么组成的。基础化学将告诉你物质是由原子组成的，但原子本身是由甚至更小的成分组成：质子、中子和电子。就像它原来是的一样，质子和中子是由更小的叫夸克的物体组成。（稍后我们将讨论夸克。）

在原子和原子核物质的尺度上，重要的是质子、中子和电子是稳定的。这对质子和电子是严格的真实的，不过对中子不。虽然埋在原子核内的中子能永远活着，但对孤立的中子不是真实的。如果你能从一个原子中心提取一个中子，并把它放进一个另外的空瓶子里，中子将在不到15分钟内衰变，这比宇宙的140亿岁寿命元更短。

守恒法则

是什么将质子和电子从衰变拯救是一个所谓的“守恒法则”的结合。“守恒法则（conservation law）”一词只意味着有一种永远不会改变的属性，无论什么。

我们能用普通的乐高玩具来说明这个词意味的。假设你的孩子有一套10000块乐高积木。就像任何家长知道的一样，孩子们能出自乐高积木做无数的东西：一座建筑、一座桥或者对一个足有艺术性的孩子一座鸭子的雕像。孩子能在他们艺术作品中用一些积木苦熬或全部的积木块，然而无论孩子做什么，仍然同一的是他们仍旧有10000块乐高积木。乐高积木的数量是守恒的。

对像质子、中子和电子一样的粒子，几个守恒属性决定是否粒子是稳定的还是不是。这些是能量、电荷以及更模糊的重子和轻子数。

能量是一个运动的度量，就像一个投掷的球一样或者势能的像一个螺旋弹簧一样。然而，因为爱因斯坦最著名的方程E=mc＾2，它也是一个质量的度量。真的，对一个孤立的和静止的粒子，一个粒子的质量是它的全部能量。在粒子衰变的上下文中能量守恒意味着一个亚原子粒子能衰变成一个更轻的粒子，但不是其它样子着的。如果一个重粒子衰变成一个轻粒子，储存在质量中的能量变的更小；然而，剩余的能量能造成女儿粒子来移动。在这种场景中，衰变后的总能量的量是不变的。相比之下，如果一个更轻的粒子要衰变成一个更重的粒子，在衰变后比衰变前会有更多的质量，因此更多的能量。这将改变能量的量，这将违反能量守恒的原则。

电荷是另一个守恒的量。质子有一个为+1的电荷。如果一个质子衰变，所有衰变产物的电荷之和将也必须加起来为+1。电子有一个约为一个质子质量0.05%的质量。正电子是电子的反物质表亲（质量相同），有一个为+1的电荷。

这样基于能量和电荷守恒原理，一个质子（重的电荷+1）可以衰变为一个正电子（非常轻，电荷+1）和一个光子（非常轻电荷0），然而，这种衰减是看不到的。理由集中在最后一个相关守恒量上：轻子数和重子数。像质子和中子一样的粒子是重子。它们是重的包含三个夸克。像电子一样的粒子是轻子。它们是轻的并不含夸克。

所有重子有一个B=+1的重子数，而所有轻子有一个L=+1的轻子数。粒子的反物质版本有相反的轻子或重子数。一些既不是轻子也不是重子的粒子都有一个轻子和为零的重子数。

这解释一个中子（电荷0、质量939.6 MeV、重子数+1、轻子数0）如何能衰变成一个质子（电荷+1、质量938.3 MeV、重子数+1、轻子数0）、一个电子（电荷-1、质量0.511 MeV，重子数0、轻子数+1）和一个叫一个反物质电子中微子的粒子（电荷0、质量0 MeV、重子数0、轻子数-1）。如果你检查每一个守恒量，你发现一切都计算出的。

对一个质子，它只是已知最轻的重子。因为能量守恒，为让它衰变成一个更轻的粒子，必须有一个更轻的重子。因为没有，质子是稳定的。对电子，有比电子更轻的轻子（中微子），但没有是更轻的带电粒子。缺乏任何将同时遵守所有守恒法则的粒子的结合对电子衰变是一个障碍。

质子是永恒的吗？

如此这是否意味着质子和电子是永恒的？它们会永远存在吗？这是一个实验问题不是一个理论问题。当然，来想象一些违反守恒法则并允许质子来衰变的物质理论是可能的；然而，科学家们已经建造了重达数万吨的大型探测器来寻找质子衰变，但没有一个被观测到。这些实验设定质子的一个最小寿命，约为2×10＾34年，比宇宙的寿命更长约万亿万亿倍。如果质子衰变，它们存在一个很长很长时间。

尽管如此，科学家们在为其他目的建造的实验中继续寻找质子衰变。如果质子衰变从来被观测到，它将告诉我们某些关于自然的法则的新的和重要的东西。深地下中微子实验（DUNE）是一个大型实验，被建造来研究一种叫中微子的亚原子粒子的行为。虽然它的主要目的是研究中微子，但科学家们也将利用探测器来寻找中微子衰变。深地下中微子实验目前正在被建造预计将在本十年末开始操作。

https://bigthink.com/hard-science/will-protons-last-forever-why-scientists-are-searching-for-signs-of-decay/