Огромная цистерна, которая может навсегда изменить физику распада протона

В девяностых годах прошлого века учёные залили 50000 тонн воды в резервуар, оборудованный под горой в Японии. В течение двадцати с лишним лет эта жидкость позволяла исследователям узнавать интересные факты о мире субатомных частиц. Однако учёная братия за столько лет наблюдений не дождалась самого ожидаемого события — распада протона. Это разложение указанной элементарной частицы на более лёгкие составляющие. Наука до сих пор не фиксировала данное явление, и это многих выбивает из колеи. Ведь физики уверены, что протоны должны распадаться.

Стандартная модель и её проблемы

При этом подобная уверенность на первый взгляд кажется более чем странной. По той причине, что Стандартная модель, являющаяся основной теорией, объясняющей взаимодействие фундаментальных частиц, прямо говорит о невозможности распада протонов. В частности, из-за особенностей их «конструкции». Они состоят из трех кварков — двух верхних и одного нижнего. Кварки не могут существовать сами по себе, поэтому просто не допустят разрушения протона. Чтобы он распался, составляющие его «кирпичики» должны превратиться во что-то более невесомое. Проблема в том, что верхние кварки уже и так самые легкие из известных субатомных частиц, поэтому они не могут стать легче. Нижние могут превратиться в верхние, но внутри протонов это не происходит — потому, что три верхних будут обладать большей энергией, чем два верхних и нижний, а это означало бы создание энергии из ниоткуда. Что, как понятно, невозможно. Поэтому нижний кварк всегда остается нижним, а протон не распадается. Вот и вся песня.

Это объяснение стандартной модели кажется вполне разумным, но ровно до тех пор, пока вы не начинаете разглядывать его пристально. Потому что в какой-то момент оно начинает выглядеть… Притянутым за уши. Дело в том, что на самом деле частицы легче кварков существуют. Это лептоны, вроде электронов и нейтрино — частицы, которые не склонны к сильному ядерному взаимодействию, скрепляющему ядра атомов. Однако стандартная модель отвергает возможность превращения кварков в лептоны. Почему? Внятного объяснения не существует. И это довольно большая проблема.

Сегодня многие физики считают «Стандартную модель» переусложнённой. Она неплохо описывает, как сильные, слабые и электромагнитные силы заставляют частицы двигаться и распадаться. Это одна из самых проверенных теорий в истории науки. Но совершенно прозрачной и понятной её не назовёшь. Три упомянутые силы передаются в ней четырьмя типами частиц, разделённых на дюжину разновидностей. Стандартная модель также непонятно зачем отличает кварки от лептонов, хотя у них много общего. Кроме того, в ней есть просто зияющие дыры — например, она не включает в себя гравитацию и темную материю.

В этой связи ученые пытаются искать другие объяснения. В частности, они выносят за скобки всё ту же гравитацию и пытаются сформулировать теории Великого объединения (Grand Unified Theories, GUT). Они призваны объединить три силы Стандартной модели в одну — единую и универсальную. Основная идея тут заключается в том, что эти силы кардинально отличаются на нынешнем этапе эволюции Вселенной, когда она гораздо холоднее, чем была раньше, в своей юности. Если бы она была горячее, то все три силы были бы более похожи. А при сверхвысоких температурах все они были бы неотличимы, слились в единое целое.

Здесь можно провести аналогию с событиями 19 века, когда учёные в какой-то момент поняли, что электричество и магнетизм — это просто разные проявления электромагнетизма. Сегодня существует огромное количество различных GUT, но, к сожалению, их трудно проверить. В условиях нынешней Вселенной они должны быть практически неотличимы от Стандартной модели, правильность которой подтверждена тысячекратно. Расхождения должны начинаться при гораздо более высоких уровнях энергии, причем настолько, что ни один из существующих ускорителей частиц не способен достичь их в принципе.

Зачем нужен бассейн?

И в этот момент мы возвращаемся к изучению распада протона и японскому резервуару на 50000 тонн. Многие из тех, кто пытается сформулировать теорию Великого объединения, говорят о том, что «сверхсила» не должна различать кварки и лептоны, и поэтому кварки, находящиеся в протонах, должны иногда распадаться на лептоны. По их мнению, на заре существования Вселенной эти переходы происходили очень часто, но сегодня, в связи с «похолоданием», подобные события стали гораздо более редкими. Разные GUT расходятся в оценках того, как долго надо ждать распада протона. Поэтому его фиксация в тот или иной момент времени может указать, какая из теорий ближе к истине. Согласно одной из теорий, в нынешних условиях Вселенной протон распадается за сто миллионов иотталет. Это в миллиард триллионов раз больше, чем возраст космоса. Однако если поместить достаточное количество протонов в одно место, то есть, грубо говоря, загнать 50000 тонн воды под японскую гору, то дождаться этого события можно гораздо быстрее.

Если протон распадётся, образовавшиеся лептоны испустят свет, который будет обнаружен установленными в контейнере детекторами. И это многих обрадует. Но за двадцать с лишним лет работы комплекса не было зарегистрировано ни одного события этого рода. И чтобы как-то объяснить этот феномен, исследователи волевым решением увеличили и без того огромную продолжительность жизни протонов ещё в сто раз. Однако, как было уже сказано, теорий Великого объединения множество, и в некоторые их них подобное развитие событий пока вписывается самым наилучшим образом.

Естественно, отсутствие подтверждающего сигнала в течение даже тысячи лет не будет доказательством того, что протоны не могут распадаться. Это лишь ещё больше увеличит оценки продолжительности жизни каждого из них. Но если протоны действительно лишены этого свойства, то это значит, что наука упустила нечто важное в понимании Вселенной. В общем, остаётся только ждать. Либо распада протона под японской горой, который, наконец, свергнет с пьедестала Стандартную модель, либо других открытий.