质子之死：粒子衰变如何推出万有理论

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图源：malwarebytes

三个粒子组成了宇宙中所有熟悉的物质，从冰冷系外行星的浑浊盐水到遥远星系的深沉蓝色或热烈红色行星，我们在这个世界上或其他任何地方看到的一切，都是由相同的几种成分组成的。

 

这几种成分贯穿了整个宇宙星系结构，它们是上夸克，下夸克和电子。但这只是粒子物理标准模型中十二个物质粒子中的三个。这是宇宙中最令人困惑的特征之一。

艺术家印象中行星接近黑洞时的概念图。质子衰变意味着在遥遥无期的未来，其他一切都分析崩离后，仅黑洞会保留。

 

所有事物都可以由一小组粒子创建时，为什么世人似乎对其他九个粒子如此陌生呢？似乎缺少了一些东西，我们面前有一些东西是看不到的。

 

标准模型1

 

归档到标准模型表中的是六个夸克和六个轻子，这些代表了迄今为止发现的最小的自然成分。尚不清楚以后是否会有更多物质粒子添加到表中，也不清楚这十二个粒子是否就是全部，但它们中的大多数在生活中没有存在感。

 

我们不知道这9个额外的粒子为什么会归在表中，它们是否在宇宙的运作中占有重要地位，还是说宇宙起源于粒子池。其中有些粒子的作用会延续下去，有些则不能。

 

上夸克，下夸克和电子共同构成了原子的质子和中子。原子又结合起来，形成分子，所有复杂的结构（如叶状地球生命和懒惰的月球体）都由此产生。

 

但我们要挖掘的是质子。解答质子行为的某个疑问可以帮助统一解释物理力，不仅能揭示现实的本质，而且揭示宇宙大爆炸时刻的外观。

 

质子由两个上夸克和一个下夸克组成，其电荷量与电子相同，但符号相反；中子由两个下夸克和一个上夸克组成。我们已经探查了质子并将其分裂，以观察其内部结构，但还有一个关于质子的问题尚未解决。

 

质子会永远存在，还是会衰败？

 

包含通过强核力结合在一起的上夸克和下夸克的质子图

 

由于标准模型无法预测质子的衰变，我们不得不借助新物理学来解释宇宙现象。科学家希望这种新的解释可以定义为万有理论，宇宙四种力中的三种被证实为单一作用力。

 

这是物理学中一个美好而强大的趋势，就像电力和磁力的统一，或者电磁力和弱核力的最新结合一样，科学家希望将世界上的所有现象融合在一起。电磁、弱核力、强核力和重力，所有这些都可以用简单的数学描述。现代科学的梦想是找到一种解释所有宇宙混乱和纠结现象的关键理论。万有理论主要解释重力以外的所有力量。

 

在大爆炸之后不久科学家就开始研究该理论了。初次爆炸后10-43秒，宇宙燃烧1028K，约1015GeV的能量。在此能量水平下，这三个力可以合并为一个电子核力。即使使用功能最强大的粒子加速器，1015GeV能量也可能高出数千亿倍。太过强烈的能量无法在地球上复制。

 

收集万有理论证据的另一种方法是观察质子的分解。

 

超高能量中，三股力量相遇。甚至在更高的能量下，重力也可能会与其他三股力量结合在一起，从而证实万有理论的存在。探索这些粒子的感觉就像是在数学线索包围中获得更大，更全面的图像。

 

夸克能够感受到强大的核力量，轻子却不能。它们之间的差异意味着夸克可以变成其他夸克，轻子可以变成其他轻子，但是夸克永远不能变成轻子，反之亦然。两种类别之间有界限。

 

但在万有理论中，两种粒子可以相互跨越。质子的衰变是可能的，因为夸克可能衰变成轻子。科学家预测，如果质子确实分解，它将衰变成正电子和中性介子。但这些粒子的总质量将远低于原始质子的质量。因此，由于E =mc²，相应的能量将被释放，只要技术足够灵敏就可以检测到。

 

图源：pixabay

我们在地底下准备了大桶纯净的苏打水，提供一个安静的空间，可在其中观察中微子和质子的寿命。质子衰变释放的能量埋在厚厚的粒状地球下，它发射的辐射可由光电倍增管捕获。

 

这是一种可能改变我们对宇宙的理解的短暂现象，如此细微且短暂现象居然可以揭示我们身边世界深刻的真相，这实在令人惊异。质子衰变的瞬间，便是一次科学革命。

 

然而，这一改变世界的现象却难以目睹，原因在于目前估计质子的半衰期为1034年，可能高达1037年。经过这段漫长的时间，所有质子，以及我们所知的所有复杂的物质结构都将分裂并从宇宙中消失。那是一个黑暗的宇宙：只有在某一点上充满了持续不断的黑洞，光子或电子仍在辛苦地旋转。

 

图源：Chukman So / CERN

 

艺术概念图显示了一条被捕捉的反物质射线。在大爆炸之时，物质和反物质本来应该数量相等，但我们这个充满物质的世界显示出两者之间明显的差距。在万有理论中，通过假想的X和Y玻色子以及对应的反X和Y玻色子的存在解开了这个谜团。

这是非常罕见的，即使在未来几十年质子确实衰减了，我们可能永远也看不到它的发生。不是因为它不存在，而是因为质子衰减是隐秘且短暂的。

 

但这确实是存在万有理论的重要证据。根据质子衰变事件，我们可以将其扩展为解释所有事物完整而有力的理论。解释宇宙粒子和力的起源、人类的起源以及我们所经历的一切。

 

针对5万吨地下水的超级神冈探测器实验仍在继续进行。但科学家发现，人类见证质子衰变的希望变得越来越渺茫。过去几年不断增长的数据和发生的变化无疑使检测变得更加困难。

 

超级神冈探测器及玻璃状的超纯水湖

 

但是质子衰变太重要了，这是一种肉眼难以察觉的现象。捕获此过程中辐射的几率很小，但它们带来的影响却是巨大的。在地球的腹部留出一些空间，可以让质子可以在那里存活并在周围移动。其中某个质子的衰变可能会带你一窥宇宙的基础数学、遥远的未来科学，以及对宇宙最深远过去的理解。

 

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编译组：高荣蔚、孔祺琪

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