质子寿命为什么长（质子也有寿命吗）

和世间万物一样，质子也有它自己的生命周期。想要探寻质子的生命周期，首先要了解一个概念——衰变，它指的是不稳定的原子核在放射出粒子及能量后变得比较稳定的一个过程。一般我们认为的粒子寿命，就指的是它的衰变周期。

预测的质子衰变模式之一：一个质子衰变为正电子和一个中性介子。中性介子立即衰变为两条伽马射线。（图片来源：超级神冈探测器官网）

1919年，卢瑟福宣布发现质子。当时，人们唯一知道的物质的基本组成粒子只有电子。而物理学家对质子的认识是，质子不可能在不违反电荷守恒的情况下发生衰变。后来，重子数守恒原理被提出。重子是指由三个夸克（或者三个反夸克组成反重子）组成的复合粒子，它并不是基本粒子。最常见的重子有组成日常物质原子核的质子和中子，与反质子、反中子合称为核子。于1932年发现的中子和质子，它们的重子数为 1，它们的反粒子的重子数为-1，电子的重子数则为0。举个例子，中子可以衰变为一个质子、一个电子和一个反中微子，在这个过程中总重子数是不变的。

物理学家戈德哈伯曾说过，如果质子的寿命小于10^16年，那么我们应该能从骨头里感受到它们，因为我们的身体将会具有致命的放射性。作为比较，宇宙的年龄只有138亿年，也就是1.38×10^10年。

1954年，戈德哈伯对他先前的估测进行了改进。他认为如果失去一个核子将会使原子核处于激发态，从而有可能导致裂变，他用232Th来计算束缚的核子的寿命，得到的结果为大于10^20年。随后，格奥尔基·弗廖罗夫很快将这个数字扩展为大于3×10^23年。

戈德哈伯还与弗雷德·雷恩斯和克莱德·考恩合作，采用500升荧光液体进行了实验。这项实验测试了直接观测到质子衰变的可能性。他们在液体的周围环绕了90个光电倍增管，这套设备本来是设计来检测反应堆中微子的。但他们没有发现任何信号，这就表明自由质子（指那些没有被束缚在原子核内的质子）的寿命一定比10^21年更长，而束缚核子的寿命则必须大于10^22年。到了1974年，在一项用20吨荧光液体进行的宇宙射线实验中，雷恩斯和他的其他同事将质子的寿命推到了10^30年以上。

1974年前后，物理学家提出了大统一理论（GUT），它不仅是要统一强核力、弱核力、电磁力，而且还要把夸克和轻子紧密地联系在一起。GUT允许重子数不守恒。尤其是霍华德 乔治和谢尔顿·李·格拉肖的最小SU(5)模型预测了，在10^(31±1)年的时间区间内，质子会衰变成正电子和中性π介子（p → e^( )π^0），这与可以观测到的下限10^30年相差并不远。

超级神冈探测器被用探测质子衰变以及被设计来寻找太阳、地球大气的中微子，并观测银河系内超新星爆发。（图片来源：超级神冈探测器官网）

到了1981年，7个这样的实验被安装在地下深处，它们要么使用完全活跃的切伦科夫水探测器，要么使用取样测热计来监测大量的质子。

神冈探测器是日本东京大学在岐阜县飞驒市神冈町的茂住矿山一个深达1000米的废弃砷矿中建造的大型中微子探测器。其目标是探测质子衰变以及被设计来寻找太阳、地球大气的中微子，并观测银河系内超新星爆发。IMB探测器建造于上世纪80年代初，本来用于探测质子是否衰变，反而帮助科学家发现了大气中微子的振荡。它们都是寻找质子衰变的重要实验。但这些实验将质子寿命的下限提高到了10^32年，降低了最小SU(5)大统一规范理论的可行性。

在1987年，IMB探测器和神冈探测器二代因探测到了来自超新星SN1987a释放的中微子而名声大噪。神冈探测器二代早已经在研究太阳中微子和大气中微子，它的继任者——超级神冈探测器对大气和太阳中微子振荡进行了开创性的观测。目前，超级神冈对质子衰变成e^( )π^0的时间设置了最高下限：1.6×10^34年。

制作：曾子芹 西南交通大学

审校：赵峥 北京师范大学物理系教授

参考来源：

[1] http://www-sk.icrr.u-tokyo.ac.jp/sk/sk/pdecay-e.html

[2] http://www-sk.icrr.u-tokyo.ac.jp/sk/index-e.html