Сколько тебе жить, протон!
Мы сидим на крохотном островке стабильности и с душевным трепетом взираем на физиков, которые вот-вот готовы и протон объявить частицей неустойчивой.
Стабильность электрона легко объяснить. Он имеет минимально возможный заряд (если не принимать в расчет кварки, эти получастицы, полуфантомы!). Все частицы меньшей массы (обычно при ядерных развалах тяжелое распадается на более легкие части), те, на которые электрон мог бы распасться (фотон, нейтрино), - нейтральны. Получается, что электрону просто не на что "распасться". Тут вступает в действие закон сохранения электрического заряда: заряд не может исчезать или возникать.
С протоном дело сложнее.
Он мог бы передать свой единичный положительный заряд, скажем, более легкому позитрону, тоже положительно заряженному.
Прежде эту возможность теоретики игнорировали, так как адроны (протон среди них) и лептоны (электрон, позитрон) были разделены, казалось бы, непроницаемой стеной. Однако в рамках "великого объединения" различие между этими частицами исчезает. Здесь кварки, которые раньше можно было отличить по их способности к сильным взаимодействиям, могли бы запросто превращаться в лептоны, прежде считавшиеся частицами совсем другой природы, участвующие только в электрослабых взаимодействиях. Как следствие этого, состоящий из трех кварков протон теперь мог бы превратиться в лептон и мезон. Например, по такой схеме: р-"е+ + п° (протон распадается на позитрон и нейтральный пимезон).
Теперь вопрос - как быстро должно идти это превращение? Скорее всего со скоростями черепашьими. Ведь масса данных, начиная с солидного возраста земного шара, говорит о том, что окружающее нас вещество вроде бы вовсе не исчезает.
Слоны и вороны, говорят, живут сотни лет, американские секвойи тысячи. А сколько лет способен прожить протон? Если срок его жизни окажется очень большим, то с чем его сравнивать? Может быть, со временем жизни нашей Вселенной? (Да она тоже невечна, и в принципе имело бы смысл отмечать дни, нет, миллиардолетия со дня ее рождения!)
Возраст Вселенной установлен довольно точно - 10^10, или, в обычной записи, 10 миллиардов лет. Число катастрофически громадное; и все-таки протон должен жить дольше, что нетрудно доказать.
Мы, как выразился один физик, "знаем своими костями", что среднее время жизни протона болыце, чем, ну скажем, 10^16 лет. В самом деле, если бы оно было заметно меньше, то 10^28 протонов, образующих тело взрослого человека, распадались бы со средней скоростью, превышающей 10^12 протонов в год, или около 30 тысяч распадов за секунду.
Человек стал бы радиоактивным! И сам представлял бы угрозу для своего здоровья.
Различные теоретические соображения и эксперименты (о них еще пойдет речь) свидетельствуют: время жизни протона больше 10^30 лет. Умопомрачительная величина! Откуда она взялась? Физики в состоянии дать отчет.
Протон, считается, состоит из трех кварков. В среднем они находятся друг от друга на значительной дистанции, расстояниях порядка радиуса протона. Эти размеры крошечны для нас, людей, но грандиозны, чтобы на них могли проявить себя "сильно-электромагнито-слабые"
("великое объединение" сил) взаимодействия.
Протон, возможно, способен превратиться в позитрон, но только при том условии, что один из его кварков станет лептоном. И вот для этого-то кварки и должны сблизиться на расстояния в миллиарды миллиардов раз меньшие, чем размер протона.
Понятно, что вероятность такого сближения крайне мала, а значит, шанс за то, что протон не развалится у нас на глазах, должен быть велик. Так и возникают числа большие, чем 10^30.
И еще одно замечание-разъяснение. Не надо думать, что если время жизни протона или электрона (пока электрон считается вечным) превышает возраст Вселенной (на 20 порядков!), то эти частицы существовали и тогда, когда Вселенной еще не было и в помине. Нет, протоны и электроны появились вместе со Вселенной. И число 10^30 означает лишь ту "веху" жизни Вселенной, когда большинство протонов мира развалится.
Как иголку в стоге сена
Изучение элементарных частиц часто принимает форму диалога между теорией и экспериментом. Теоретики предсказывают существование новых частиц и явлений и передают слово экспериментаторам. Те конструируют и изготовляют тончайшие приборы и приступают к опытам.
В результате получают то, или не совсем то, или уж совсем не то, чего ожидали теоретики. Последние оценивают опытный итог и снова высказывают идеи экспериментаторам. Те опять включают свои машины. И так далее, и так далее.
Как обнаружить распад протона? А. Беккерель открыл радиоактивность урана с помощью кристалла урановой соли весом всего в несколько граммов (самый быстро распадающийся изотоп урана - уран-234 - имеет краткий век). Понятно, что в случае с протонами граммов вещества будет недостаточно. Самый простой способ обнаружить распад протона (будем для определенности считать, что время его жизни составляет 10^31) - это наблюдать в течение года по меньшей мере за 10^31 протонами.
Масса такого количества протонов составляет что-то около 18 тонн. Но на практике неизбежно разбавление протонов нейтронами, поскольку они, как и протоны, имеются в ядрах любого вещества, поэтому вес "детектора" - это может быть вода, железо и другие вещества - должен быть больше; как минимум надо "иметь под рукой" тысячу тонн.
А чтобы действовать наверняка, необходимо увеличить этот вес до 10 тысяч тонн. Тогда можно было бы надеяться зарегистрировать примерно дюжину случаев распада протонов за год.
А теперь представим себе, как будет проходить такой эксперимент.
На глубине сотни (лучше тысячи) метров под поверхностью планеты надо найти или вырубить в скальных породах полость размером в десятки кубических метров.
Готово? Тогда грузим тяжеловесные составы (сцепленные из специально обработанных изнутри цистерн) особо чистой водой. Ее предварительно следует отфильтровать от примесей самым тщательным образом до кристальной прозрачности!
Затем эту доставленную к "шахте" воду надо с большими предосторожностями закачать в облюбованный подземный резервуар.
Но и этого мало. Стенки резервуара должны быть увешаны тысячами архичувствительных регистрирующих счетчиков.
В общем-то идея эксперимента проста. Вот только реализовать ее не так-то легко. Ведь требуется, по пословице, обнаружить иголку в стоге сена.
Первая трудность - примеси в воде. Даже мельчайшие концентрации посторонних веществ в жидкости могут имитировать распад протона и ввести экспериментаторов в заблуждение.
Вторая трудность - наличие громадных объемов вещества, необходимого для обнаружения распадов протона, влечет за собой нужду в пропорционально большом количестве регистрирующих приборов. К примеру, потребуются многие тысячи одних только фотоэлектронных умножителей.
Но еще больших хлопот доставляет проблема фона.
Искомый сигнал, свидетельствующий о распаде протона, может затеряться в шумах, вызванных не относящимися к делу явлениями.
Фон может быть внутренним, связанным с радиоактивностью воды и примесей, и внешним, космическим.
Этот наиболее неприятен.
Если установку расположить на поверхности Земли, то в кубометре воды за год произойдет примерно 10^9 реакций, вызванных космическими лучами. И отношение полезного сигнала к шумам будет ничтожным.
Космические лучи и гонят экспериментаторов под землю, заставляют размещать цистерны с водой в глубоких шахтах или туннелях. Стальные стенки метровой толщины не могут оградить испытуемое вещество от пришельцев из космоса, приходится в качестве щита использовать километровые земные толщи.
Но все эти трудности только раззадоривают физиков, мобилизуют их энергию, волю. Слишком велик научный куш, слишком высока цена победы!
Эксперимент века
Сейчас в поиски распадающихся протонов включились большие группы физиков на всех континентах, исключая лишь Австралию.
В СССР в Баксанской нейтринной обсерватории (Северный Кавказ) на глубине 850 метров под горой Андырча, что в Баксанском ущелье, успешно действует установка, вес которой около 300 тонн. Возможно, для этих же целей будет использована в будущем и соляная шахта вблизи города Артемовска на Украине.
Подобные же устройства функционируют в золотых, соляных и прочих шахтах Индии, Японии и других стран. Пока (данные 1983 года) самый большой детектор весом в 10 тысяч тонн воды находится в США в штате Огайо. Но Италия намерена побить этот рекорд - "вести в действие 12-тысячетонное устройство. А анализировать распады протона в нем будут черепковские счетчики.
Трудности подобных экспериментов становятся все очевиднее. Не так-то просто разместить такую уйму сверхчистой воды на глубинах в несколько километров.
Кроме того, в сырых и душных шахтах нелегко работать пе только экспериментаторам, но и приборам. А вот еще более серьезное затруднение.
Если время жизни протонов "(обозначим его через tp)
значительно превышает 10^33 лет (теоретики смогли установить только нижнюю границу их жизни*), то сооружение более крупных детекторов может оказаться и вовсе бесполезным. Ибо вместе с ростом детекторов будет пропорционально расти и неустранимый фон шумов.
При tp больше 10^35 лет в установках пойдут реакции, инициированные нейтрино. Они практически полностью имитируют протонные распады. Остается лишь надеяться, что физикам повезет: что tp меньше 10^35 лет.
Многие научные обозреватели справедливо называют поиск распадающихся протонов экспериментом века.
И вот почему.