Распад пратона

З пляцоўкі Вікіпедыя
Перайсці да: рух, знайсці

Распад пратона — гіпатэтычная форма радыеактыўнага распаду, у выніку якой пратон распадаецца на лягчэйшыя субатамныя часціцы, напрыклад (нейтральны) піон і пазітрон. Гэта з'ява да гэтага часу не назіралася, але магчымасць даказаць яе рэальнасць выклікае нарастаючую цікавасць у сувязі з перспектывамі «тэорыі вялікага аб'яднання» (GUT: Grand Unified Theory) [1].

Пратон доўгі час лічыўся абсалютна стабільнай часціцай, хоць для такой упэўненасці ніколі не было сур'ёзных падстаў, бо, відаць, не існуе фундаментальнага закона фізікі, які забараняў бы яго распад [2]. Забарона распаду пратона (самага лёгкага з барыёнаў) звязана з эмпірычным законам захавання барыённай колькасці, аднак сам гэты закон не мае глыбокага тэарэтычнага абгрунтавання - велічыня, якая захоўваецца, не звязана з якой-небудзь прасторава-часавай сіметрыяй (у адрозненне, напрыклад, ад закону захавання энергіі) і не мае характару калібравальнага зарада (у адрозненне, напрыклад, ад закона захавання электрычнага зараду).

Варта адзначыць, што ў выпадку нестабільнасці пратонаў усе атамныя ядры з'яўляюцца радыеактыўнымі (хоць і з вельмі вялікімі перыядамі паўраспаду).

Гісторыя[правіць | правіць зыходнік]

Магчымасць распаду пратона выклікае цікавасць фізікаў яшчэ з 30-х гадоў XX стагоддзя, але ў апошнія дзесяцігоддзі гэтая праблема набыла асабліва вялікае значэнне. Нягледзячы на ​​тое, што меркаванне аб абсалютнай стабільнасці пратона заўсёды абапіралася на хісткія тэарэтычныя дапушчэнні, гэта пытанне прыцягвала мала увагі да 1974 года, пакуль не быў распрацован шэраг тэарэтычных мадэлей вялікага аб'яднання (GUT), у якіх распад пратона не толькі дазволены, але і яўна прадказваецца. [2]

Першымі такую ​​спробу ажыццявілі ў 1973 годзе Абдус Салам і Джогеш Паці (Imperial College, Лондан). Праз некалькі месяцаў Гарвардскія фізікі-тэарэтыкі Шэлдан Глэшоу і Говард Джорджы выклалі ўласную версію GUT, прапанаваўшы першыя мадэлі разліку часу жыцця пратона.

У самых простых варыянтах гэтых мадэлей атрымліваюцца значэнні часу жыцця (большыя за 10^{30} гадоў), якія на шмат парадкаў перасягаюць ўзрост Сусвету (прыкладна 10^{10})[1]. Мінімальная SU(5)-мадэль прадказвала час жыцця пратона пры распадзе на піон і пазітрон парадку 1031 гадоў. Эксперыменты, выкананыя да 1990 г. (Kamiokande і шэраг іншых), паказалі, што час жыцця пратона пры распадзе па гэтаму каналу пераўзыходзіць гэту велічыню. У выніку мінімальная SU(5)-мадэль вялікага аб'яднання была «закрыта». На сёння лепшае абмежаванне на час жыцця пратона пры распадзе па гэтаму каналу складае 8,2×1033 гадоў (эксперымент Super-Kamiokande) [3].

Акрамя таго, незахаванне барыённага ліку прадказваецца ў тэорыях суперсіметрыі, і выяўленне распаду пратона пацвердзіла б яе правільнасць, а таксама патлумачыла б парушэнне суперсіметрыі ў цяперашні час. Пры гэтым варта адзначыць, што хоць спантанны распад пратона і не забаронены законам захавання энергіі, імавернасць гэтага працэсу вельмі малая з-за велізарнай масы прамежкавай віртуальнай часціцы, якая павінна пры гэтым нараджацца. Напрыклад, мінімальная SU(5)-мадэль прадказвае з'яўленне ў гэтым выпадку прамежкавай віртуальнай часціцы з масай 1015 ГэВ[1].

Эксперыментальны пошук[правіць | правіць зыходнік]

Распад пратона — выпадковы працэс, таму было прапанавана ў якасці аб'екта назірання выбраць вялікі аб'ём вады, у адным кубаметры якой утрымліваецца каля 6×1029 нуклонаў (з іх каля паловы пратонаў). Калі тэорыя Глэшоу і Джорджы дакладная, і кожны пратон мае адзін шанц з ~1031 распасціся за адзін пэўны год, то тэарэтычна назіранне распаду хаця б некалькіх пратонаў у шматтоннай воднай мішэні на працягу года павінна быць рэальным.

Фізікі арганізавалі некалькі буйнамаштабных эксперыментаў, у ходзе якіх меркавалася назіраць распад хаця б адзінкавых пратонаў. З-за таго, што ўспышкі так званага чаранкоўскага выпраменьвання, якія і сігналізуюць аб утварэнні новых часціц (у тым ліку, у выніку распаду пратона), могуць выклікацца касмічнымі прамянямі, было вырашана праводзіць эксперымент глыбока пад зямлёй. Дэтэктар IMB (Irvin-Michigan-Brookhaven) размясціўся ў выпрацоўках былых саляных капалень на беразе возера Эры ў штаце Агаё. Тут 7000 тон вады былі акружаны 2048 фотамножнікамі. Паралельна ў Японіі група навукоўцаў Такійскага ўніверсітэта і шэрагу іншых навуковых арганізацый у падземнай лабараторыі Каміока стварыла дэтэктар Каміакандэ (Кamiokande - Кamioka Nucleon Decay Experiment), дзе 3000 тон вады праглядаліся 1000 фотамножнікамі. Аднак да канца 80-х гадоў ні аднаго выпадку распаду пратона зафіксавана не было. У 1995 годзе даследчая група Каміакандэ пабудавала новы дэтэктар, павялічыўшы масу вады да 50 000 тон (Super-Kamiokande). Назіранні на гэтым дэтэктары працягваюцца па гэты дзень, але вынік пошукаў распаду пратона на дасягнутым узроўні адчувальнасці па-ранейшаму адмоўны[1][3].

Акрамя распаду на піон і пазітрон (бягучае абмежаванне на час жыцця па гэтаму каналу, як адзначана вышэй, складае 8,2×1033 гадоў), выконваліся эксперыментальныя пошукі звыш 60 іншых варыянтаў каналаў распаду, як для пратона, так і для нейтрона (у апошнім выпадку маецца на ўвазе не стандартны бэта-распад нейтрона, а распад з незахаваннем барыённага ліку, напрыклад n→μ+π-). Асноўны канал распаду, наогул кажучы, невядомы, таму ўстанаўліваюцца таксама эксперыментальныя ніжнія абмежаванні на час жыцця пратона незалежна ад канала распаду. Лепшае з іх на бягучы момант роўна 1,1×1026 гадоў[3]. Ніжняе абмежаванне на час жыцця пратона пры распадзе з утварэннем толькі «нябачных» часціц (гэта значыць тых, якія не ўдзельнічаюць у моцным або электрамагнітным узаемадзеяннях, напрыклад нейтрына) складае 2,1×1029 гадоў[3]. Варта адзначыць, што распад пратона па «нябачных» каналах парушае законы захавання не толькі барыённага ліку, але і электрычнага зараду; гэта не адносіцца да распаду нейтрона.

Хоць чакаецца, што часы жыцця пратона і антыпратона аднолькавыя, былі атрыманы эксперыментальныя ніжнія абмежаванні на час жыцця антыпратона. Яны значна саступаюць абмежаванням на час жыцця пратона: лепшае абмежаванне — толькі каля 107 гадоў[3].

Некаторыя тэорыі прадказваюць таксама распад пар або троек нуклонаў (з змяненнем барыённага ліку на 2 ці 3 адзінкі) пры стабільнасці адзіночных нуклонаў. Для розных каналаў распаду «дынуклонаў» (парpp, nn, pn) у ядрах жалеза устаноўлены ніжнія абмежаванні на час жыцця ядра на ўзроўні адзінак ×1030 гадоў[3].

Такім чынам, устаноўлена, што пратон як мінімум у 1000 разоў больш устойлівы, чым гэта прадказана ў мінімальнай SU(5)-тэорыі Глэшоу і Джорджы. У розных варыянтах тэорыі суперсіметрыі час жыцця пратона прадказваецца на ўзроўні ўстаноўленых у цяперашні час абмежаванняў і вышэй. Для праверкі гэтай тэорыі быў арганізаваны праект LAGUNA [4] з адчувальнасцю на ўзроўні 1035 гадоў. Мяркуецца таксама, што важную ролю ў вырашэнні гэтай праблемы адыграе Вялікі адронны калайдэр, з дапамогай якога можна было б эксперыментальна пацвердзіць тэорыю суперсіметрыі[1].

Гл. таксама[правіць | правіць зыходнік]

Зноскі

  1. 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 BBC Focus, февраль 2008. The World’s Greatest Mysteries. Proton’s Decay. Robert Mathews. pp. 68-73.
  2. 2,0 2,1 Searches for Proton Decay and Superheavy Magnetic Monopoles. B. V. Sreekantan.
  3. 3,0 3,1 3,2 3,3 3,4 3,5 K. Nakamura et al. (Particle Data Group), JP G 37, 075021 (2010) and 2011 partial update for the 2012 edition. Particle Listings: Proton.
  4. The Laguna Project

Спасылкі[правіць | правіць зыходнік]