和世間萬物一樣，質(zhì)子也有它自己的生命周期。想要探尋質(zhì)子的生命周期，首先要了解一個概念——衰變，它指的是不穩(wěn)定的原子核在放射出粒子及能量后變得比較穩(wěn)定的一個過程。一般我們認為的粒子壽命，就指的是它的衰變周期。

　　預(yù)測的質(zhì)子衰變模式之一：一個質(zhì)子衰變?yōu)檎娮雍鸵粋€中性介子。中性介子立即衰變?yōu)閮蓷l伽馬射線。（圖片來源：超級神岡探測器官網(wǎng)）

　　1919年，盧瑟福宣布發(fā)現(xiàn)質(zhì)子。當時，人們唯一知道的物質(zhì)的基本組成粒子只有電子。而物理學(xué)家對質(zhì)子的認識是，質(zhì)子不可能在不違反電荷守恒的情況下發(fā)生衰變。后來，重子數(shù)守恒原理被提出。重子是指由三個夸克（或者三個反夸克組成反重子）組成的復(fù)合粒子，它并不是基本粒子。最常見的重子有組成日常物質(zhì)原子核的質(zhì)子和中子，與反質(zhì)子、反中子合稱為核子。于1932年發(fā)現(xiàn)的中子和質(zhì)子，它們的重子數(shù)為+1，它們的反粒子的重子數(shù)為-1，電子的重子數(shù)則為0。舉個例子，中子可以衰變?yōu)橐粋€質(zhì)子、一個電子和一個反中微子，在這個過程中總重子數(shù)是不變的。

　　物理學(xué)家戈德哈伯曾說過，如果質(zhì)子的壽命小于10^16年，那么我們應(yīng)該能從骨頭里感受到它們，因為我們的身體將會具有致命的放射性。作為比較，宇宙的年齡只有138億年，也就是1.38×10^10年。

　　1954年，戈德哈伯對他先前的估測進行了改進。他認為如果失去一個核子將會使原子核處于激發(fā)態(tài)，從而有可能導(dǎo)致裂變，他用232Th來計算束縛的核子的壽命，得到的結(jié)果為大于10^20年。隨后，格奧爾基·弗廖羅夫很快將這個數(shù)字擴展為大于3×10^23年。

　　戈德哈伯還與弗雷德·雷恩斯和克萊德·考恩合作，采用500升熒光液體進行了實驗。這項實驗測試了直接觀測到質(zhì)子衰變的可能性。他們在液體的周圍環(huán)繞了90個光電倍增管，這套設(shè)備本來是設(shè)計來檢測反應(yīng)堆中微子的。但他們沒有發(fā)現(xiàn)任何信號，這就表明自由質(zhì)子（指那些沒有被束縛在原子核內(nèi)的質(zhì)子）的壽命一定比10^21年更長，而束縛核子的壽命則必須大于10^22年。到了1974年，在一項用20噸熒光液體進行的宇宙射線實驗中，雷恩斯和他的其他同事將質(zhì)子的壽命推到了10^30年以上。

　　1974年前后，物理學(xué)家提出了大統(tǒng)一理論（GUT），它不僅是要統(tǒng)一強核力、弱核力、電磁力，而且還要把夸克和輕子緊密地聯(lián)系在一起。GUT允許重子數(shù)不守恒。尤其是霍華德 喬治和謝爾頓·李·格拉肖的最小SU(5)模型預(yù)測了，在10^(31±1)年的時間區(qū)間內(nèi)，質(zhì)子會衰變成正電子和中性π介子（p → e^(+)π^0），這與可以觀測到的下限10^30年相差并不遠。

　　?

　　超級神岡探測器被用探測質(zhì)子衰變以及被設(shè)計來尋找太陽、地球大氣的中微子，并觀測銀河系內(nèi)超新星爆發(fā)。（圖片來源：超級神岡探測器官網(wǎng)）

　　到了1981年，7個這樣的實驗被安裝在地下深處，它們要么使用完全活躍的切倫科夫水探測器，要么使用取樣測熱計來監(jiān)測大量的質(zhì)子。

　　神岡探測器是日本東京大學(xué)在岐阜縣飛驒市神岡町的茂住礦山一個深達1000米的廢棄砷礦中建造的大型中微子探測器。其目標是探測質(zhì)子衰變以及被設(shè)計來尋找太陽、地球大氣的中微子，并觀測銀河系內(nèi)超新星爆發(fā)。IMB探測器建造于上世紀80年代初，本來用于探測質(zhì)子是否衰變，反而幫助科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了大氣中微子的振蕩。它們都是尋找質(zhì)子衰變的重要實驗。但這些實驗將質(zhì)子壽命的下限提高到了10^32年，降低了最小SU(5)大統(tǒng)一規(guī)范理論的可行性。

　　在1987年，IMB探測器和神岡探測器二代因探測到了來自超新星SN1987a釋放的中微子而名聲大噪。神岡探測器二代早已經(jīng)在研究太陽中微子和大氣中微子，它的繼任者——超級神岡探測器對大氣和太陽中微子振蕩進行了開創(chuàng)性的觀測。目前，超級神岡對質(zhì)子衰變成e^(+)π^0的時間設(shè)置了最高下限：1.6×10^34年。



關(guān)注【深圳科普】微信公眾號，在對話框：
回復(fù)【最新活動】，了解近期科普活動
回復(fù)【科普行】，了解最新深圳科普行活動
回復(fù)【研學(xué)營】，了解最新科普研學(xué)營
回復(fù)【科普課堂】，了解最新科普課堂
回復(fù)【科普書籍】，了解最新科普書籍
回復(fù)【團體定制】，了解最新團體定制活動
回復(fù)【科普基地】，了解深圳科普基地詳情
回復(fù)【觀鳥知識】，學(xué)習(xí)觀鳥相關(guān)科普知識