1982 г. Май Том 137, вып. 1

УСПЕХИ ФИЗИЧЕСКИХ HAVE

ФИЗИКА НАШИХ ДНЕЙ

«39.12.01

РАСПАД ПРОТОНА*)

С. Вайнберг

Известно, что время жизни протона по крайней мере в 1020 больше,чем возраст Вселенной, но теория говорит, что он не может житъ вечно.Если протон не бессмертен, то и вся обычная материя когда-то должна.распасться.

Открытие радиоактивности, сделанное Антуаном Анри Беккерелемв 1896 г., рассеяло веру в постоянность и неизменность атомов. Впослед-ствии было показано, что частицы, обнаруженные Беккерелем, излучаютсяв процессе самопроизвольного перехода ядер атомов радиоактивноговещества в другие атомные ядра. Интересно, что такая ядерная нестабиль-ность оказалась редким свойством, присущим лишь некоторым тяжелымэлементам, таким, как уран или радий. Ядра обычных элементов, таких,как водород или кислород, казались абсолютно стабильными.

В настоящее время имеются веские теоретические доводы в пользутого, что все атомные ядра в конце концов распадаются и что, следова-тельно, вся материя в какой-то степени является радиоактивной. Прираспаде такого типа частица атомного ядра, протон или нейтрон, спон-танно превращается в другие частицы, весьма отличные от тех, которыеюбразуют обычные атомы. Даже наилегчайшее ядро водорода, состоящееиз одиночного протона, тоже может распадаться.

Существует много данных, начиная с солидного возраста земногошара, что вещество не исчезает очень быстро. Если обычное веществои распадается, это происходит очень медленно, так медленно, что тре-буются эксперименты гигантского масштаба, чтобы обнаружить этот рас-пад. Беккерель обнаружил радиоактивный распад ядра урана в кристаллеурановой соли весом в несколько граммов; для того чтобы наблюдатьгораздо более слабую радиоактивность, связанную с распадом протона,понадобится проверка многих тонн вещества. Несмотря на это, экспери-менты по поиску распада протона уже начаты.

Чтобы понять, в чем смысл подобных экспериментов, полезно сна-чала выяснить, почему что-либо в этом мире должно жить вечно. Пред-полагается, например, что электрон абсолютно стабилен. Какие физиче-ские принципы сохраняют его от распада на другие частицы? Пониманиепричин стабильности таких частиц, как электрон, позволяет судить, суще-

*) W e i n b е г g S. The Decay of the Proton.— Scientific American, June 1981,y. 244, pp. 52—63.— Перевод Г. Г. Тахтамышева.

Стивен Вайнберг — профессор физики в Гарвардском университете и старшийяаучный сотрудник Смитсонианской Астрофизической лаборатории.

© Scientific American, Inc., 1981.© Перевод на русский язык,

издательство «Наука». Главная редакцияфизико-математической литературы,«Успехи физических наук», 1982.

152 с. ВАЙНБЕРГ

ствуют ли какие-либо физические принципы, не разрешающие распадобычного атомного ядра.

Опыт, накопленный физикой элементарных частиц, учит нас, чтолюбой мыслимый процесс распада происходит самопроизвольно, еслитолько он не запрещен каким-либо законом сохранения. Закон сохране-нения устанавливает, что полное количество некоторой величины, как,например, энергия или электрический заряд, никогда не меняется. Есликакой-то распад и не является непосредственным результатом некоторогофундаментального взаимодействия элементарных частиц, все равно онбудет происходить путем более или менее сложной последовательностиизлучений и поглощений частиц, если только он не запрещен закономсохранения. Таким образом, рассматривая вопрос стабильности любойчастицы, мы должны выяснить, будет ли ее распад нарушать какой-тоиз законов сохранения.

Закон сохранения энергии несложен. Он требует, чтобы масса распа-дающейся частицы (или энергия, эквивалентная массе), была больше, чемсумма масс продуктов распада. (Равенства недостаточно, так как неко-торое количество массы должно превратиться в кинетическую энергиюпродуктов распада.) Следовательно, обсуждая стабильность любой частицы,лучше всего начать с составления списка всех частиц меньшей массы,на которые она могла бы распасться.

αРассмотрим электрон. Насколько сейчас известно, существует лишь

несколько видов частиц с массой меньше, чем у электрона. Наиболееизвестной из них является фотон, квант света, масса которого точноравна нулю. Есть веские теоретические доводы в пользу существованиякванта гравитационного излучения — гравитона,— имеющего также нуле-вую массу. Наконец, существуют частицы, называемые нейтрино, которыев некотором смысле похожи на электрон; они излучаются при радиоактив-ном процессе, известном как бета-распад, одна из разновидностей кото-рого была открыта Беккерелем в 1896 г. Ранее предполагалось, что всенейтрино имеют нулевую массу, однако в настоящее время определениеих массы является объектом интенсивных теоретических и эксперимен-тальных усилий. Тем не менее нет сомнений в том, что по крайней мереодин вид нейтрино имеет массу менее чем одна тысячная массы электрона.

Почему же электрон не распадается, скажем, на нейтрино и фотоны?Ответ состоит в том, что, хотя такой распад удовлетворяет закону сохра-нения энергии, он нарушает другой закон — закон сохранения электри-ческого заряда. Бенджамин Франклин первым установил, что суммарныйзаряд (положительный минус отрицательный) никогда не увеличиваетсяи не уменьшается, хотя заряды разного знака могут разделяться илирекомбинировать. Электрон обладает определенным количеством отри-цательного электрического заряда, однако все более легкие частицы,на которые он мог бы распадаться (фотон, гравитон и нейтрино), оказы-вается, имеют нулевой электрический заряд. Распад электрона вызвал быисчезновение определенного количества электрического заряда, и поэтомуон строго запрещен.

Рассмотрим теперь, как можно применить эти законы сохраненияк распаду двух видов частиц, образующих атомное ядро. Возьмем сначалаболее легкую из этих частиц — протон, а потом перейдем к нейтрону.Протон обладает положительным электрическим зарядом, равным зарядуэлектрона по величине, но противоположного знака, и поэтому он такжене может распадаться на нейтрино, фотоны и гравитоны. Протон, однако,в 1820 раз тяжелее электрона, и существуют несколько частиц меньшей

РАСПАД ПРОТОНА 153

массы, которые также обладают положительным зарядом. Протон можетраспадаться на эти частицы без нарушения сохранения энергии или заряда»

Рис. 4» Большая камера, расположенная на глубине около 1950 футов в соляной шахте-Мортон к востоку от Кливленда, будет в ближайшие месяцы заполнена 10 000 τ воды

в процессе подготовки к поиску распада протона, связанного в атомном ядре.Размер камеры 60 X 80 χ ίο футов. Распад одного из 2,5- К)33 протонов и нейтронов в центральнойчасти водяного объема вызовет образование частиц высокой скорости. При движении заряженныхчастиц через прозрачную среду со скоростью, большей скорости света в этой среде, испускается ко-нус голубого света, называемого черенковским излучением. Это излучение представляет собой опти-ческий удар, аналогичный звуковому удару, образуемому самолетом, движущимся в воздухе быстреезвука. Черенковский свет будет регистрироваться 2400 фотоумножителями, которые будут располо-жены на стенках камеры. Эксперимент проводится под землей, чтобы уменьшить число высокоэнер-гичных частиц, падающих из космоса, которые могут ошибочно быть приняты за продукты распадапротона или связанного нейтрона. Сотрудничество, которое будет работать с,этим детектором, вклю-чает исследователей из Калифорнийского университета в Ирвине, Мичиганского университета и

Брукхэвенской национальной лаборатории.

Например, у электрона есть античастица, называемая позитрон, с такойже самой массой, как у электрона, но с положительным электрическимзарядом, равным заряду протона. (У каждой частицы есть античастица

154 С. ВАЙНБЕРГ

с той же самой массой, но с обратными величинами других параметров,таких, как электрический заряд. Кстати говоря, позитрон стабилен потем же причинам, что и электрон). Ничто в законах сохранения энергииили заряда не запрещает протону распадаться на позитрон и любое коли-чество фотонов и нейтрино.

Еще одним кандидатом в продукты распада протона является анти-мтоон. Мюон во многих отношениях подобен электрону, имеет тот же самыйзаряд, но в 210 раз тяжелее. (Мюон распадается на электрон и нейтрино.)Антимюон имеет такой же заряд, как и протон, но масса его составляетлишь около одной девятой массы протона. Протон, следовательно, мог быраспадаться на антимюон плюс легкие нейтральные частицы, как фотони нейтрино.

Еще одним возможным продуктом распада протона является мезон;представитель группы нестабильных частиц, занимающих по массепромежуточное положение, между электроном и протоном. Законы сохра-нения энергии и заряда позволяют протону распадаться, скажем, на поло-жительно заряженный мезон и нейтрино, или на нейтральный мезони позитрон. Любой из этих видов распада приведет к полному разрушениюатома водорода. В случае более тяжелого ядра они вызовут изменениехимической природы элемента и высвободят гораздо большее количествоэнергии, по сравнению с той, которая выделяется при обычной радиоак-тивности.

α

Почему, вообще, мы не наблюдаем повсеместного разрушения материив результате таких процессов распада? Эта проблема впервые была,кажется, сформулирована Германом Вейлем в 1929 г. Позитроны, мюоныи мезоны еще не были открыты в то время, поэтому нельзя было и пред-ставить ту гипотетическую схему распада, которая описана выше. Темне менее Вейль считал стабильность материи одной из загадок; почему бы,действительно, не мог протон в атоме поглотить электрон с орбиты,в результате чего атом водорода превратился бы в фотонный ливень.Вейль предполагал, что стабильность атома объясняется существованиемдвух типов электрического заряда, одним из которых обладает протон,а другим — электрон. Если каждый заряд сохраняется в отдельности,взаимная аннигиляция протона и электрона будет запрещена. ГипотезаВейля не привлекла большого внимания в то время.

Вопрос этот был поднят опять в 1938 г. Э, Штюкельбергом и позднее,в 1949 г., Е. Вигнером (в сноске). Их предположение, ставшее впослед-ствии общепринятой точкой зрения, заключалось в том, что, кроме энер-гии и электрического заряда, существует еще одно сохраняющееся свойствоматерии, которое стали называть барионным числом. Барионы (от гре-ческого барис, что значит тяжелый) — это семейство частиц, включающеепротон и многие другие более тяжелые частицы, как, например, нейтрон,и нестабильные частицы, называемые гиперонами. Все барионы имеютбарионное число + 1 , а все более легкие частицы, включая фотон, элект-рон, позитрон, гравитон, нейтрино, мюон и мезоны, имеют барионноечисло нуль. Для атома или другой составной системы, барионное числоесть сумма барионных чисел составляющих частиц. Следовательно, любойнабор частиц более легких чем протон, имеет барионное число нуль.Закон сохранения барионного числа заключается в утверждении, чтополное барионное число не может измениться. Распад протона есть пере-ход состояния с барионным числом + 1 в состояние с барионным числомнуль, и поэтому распад запрещен.

РАСПАД ПРОТОНА 155

Античастица имеет барионное число, противоположное по знакубарионному числу частицы. Антипротон, например, имеет барионноечисло — 1 ; это антибарион. Протон и антипротон могут взаимно аннигили-ровать без нарушения сохранения барионного числа; протон и антипротонвместе имеют барионное число + 1 плюс — 1 , т. е. нуль, и поэтому онимогут превратиться в ливень мезонов и фотонов. Таким образом, законсохранения барионного числа не утверждает, что каждый протон живетвечно, а требует лишь, чтобы протон не распадался самопроизвольнов среде, не содержащей антипротонов.

До сих пор я обсуждал только распад протона, но, конечно, ядрабольшинства атомов сделаны не только из протонов, а также и из нейтро-нов. Что можно сказать о возможности нейтронного распада? Нейтрон —это барион с нулевым электрическим зарядом и массой несколько большей,чем у протона. Точнее говоря, масса нейтрона немного больше суммымасс протона и электрона. Это соотношение предполагает по крайнеймере одну возможную моду распада нейтрона: он может перейти в про-тон, электрон и какую-либо безмассовую нейтральную частицу. Очевидно,в этом процессе закон сохранения энергии может быть выполнен. То жеможно сказать и о законе сохранения электрического заряда, так какзаряды протона и электрона компенсируют друг друга. Барионное числотакже сохраняется, поскольку протон и нейтрон имеют каждый барионноечисло + 1 , а остальные частицы — барионное число нуль.

Свободный нейтрон (не связанный в атомном ядре) распадаетсяименно таким образом: на протон, электрон и антинейтрино. Время полу-распада свободного нейтрона, которое определяется как время, в течениекоторого распадается половина любого достаточно большого набора нейт-ронов, равняется примерно 10 минутам. Нейтроны в некоторых атомныхядрах, как, например, ядро трития (тяжелый изотоп водорода с однимпротоном и двумя нейтронами), тоже могут распадаться в протоны; этотпроцесс известен как β-распад. В большинстве ядер, однако, нейтроныне распадаются, потому что потребовалась бы слишком большая энергиядля образования протона при наличии электростатических сил отталкива-ния, порождаемых другими протонами ядра. В таких ядрах нейтроны также стабильны, как и протоны.

Остается возможность распада связанного в ядре нейтрона каким-нибудь другим способом, при котором барионное число не сохраняется.Например, он может распадаться на позитрон и отрицательно заряженныймезон или на электрон и положительно заряженный мезон. Обнаружениетакого распада нейтрона в ядре, стабильном по отношению к другим рас-падам, было бы столь же значительным, как и наблюдение распада про-тона. В действительности в экспериментах по поиску распада протонаведется также и поиск распада связанного нейтрона. Однако посколькураспад свободного нейтрона хорошо известен, экспериментальные про-верки закона сохранения барионного числа называются экспериментамипо поиску распада протона

α

Согласно общепринятой в настоящее время точке зрения барионыи мезоны сделаны из более фундаментальных частиц, называемых кварка-ми. Барион состоит из трех кварков, мезон — из кварка и антикварка.Электрон, мюон и нейтрино принадлежат к семейству частиц, называемыхлептонами, которые не сделаны из кварков и нет каких-либо указанийна то, что они вообще имеют внутреннюю структуру. Таким образом,барионное число любой системы частиц есть одна треть кваркового числа,

156 С. ВАЙНБЕРГ

т. е. одна треть разности числа кварков и антикварков. Сохранение квар-кового числа эквивалентно сохранению барионного числа.

Скептически настроенный читатель, возможно, не будет удовлетворентем, что стабильность протона и связанного нейтрона объясняется сохра-

нением барионного числа. И,на мой взгляд, такая точказрения оправдана. Барион-ное число было придумано вкачестве бухгалтерского ин-струмента, чтобы объяснитьотсутствие наблюдаемогопротонного распада и другихподобных распадов; никакогодругого значения это числоне имеет. В этом отношениибарионное число отличаетсяот электрического заряда,который имеет также и дина-мический смысл: электриче-ский заряд порождает элект-рическое и магнитное поля,которые в свою очередь воз-действуют на заряды, след-ствием чего являются на-блюдаемые эффекты в дви-жении зарядов. Теорияэлектричества и магнетизмане имела бы смысла, если быэлектрический заряд не со-хранялся, но для барионногозаряда подобные аргументыдинамического характера от-сутствуют.

Действительно, имеютсяэмпирические данные противсуществования любого видаполя (назовем его баритро-пическим полем), которое со-относится с барионным чис-лом, так же как электромаг-нитное поле соотносится сэлектрическим зарядом. Зем-ля содержит около 4-1051

протонов и нейтронов, сле-довательно, она имеет гро-мадное барионное число.Если бы Земля была источ-ником баритропического по-ля, можно было бы ожидать,,что это поле притягивалоили отталкивало бы протоныи нейтроны обычных тел,

находящихся на земной поверхности. Баритропическую силу можнобыло бы отличить от гравитационной, потому что воздействие гравитацион-ной силы Земли на тело пропорционально массе тела, в то время как

Рис. 2. Бетонный блок в шахте Судан в Мин-несоте проверяется для поиска событий, похо-

жих на распад протона.Около 3450 счетчиков заключено в этом блоке, вес кото-рого 31 тонна. Счетчики будут непосредственно реги-£ Ж » ПР£ДУКТЫ Распада протона. Экспериментвыполняется физиками из университета в Миннесоте

и из Аргоннской национальной лаборатории.

РАСПАД ПРОТОНА 1 5 7

баритропическая сила была бы пропорциональна барионному числу. Теларавной массы, состоящие из разных элементов, могут иметь барионныечисла, отличающиеся на 1 процент. Несколько экспериментов, выполнен-ных с высокой точностью (начиная с экспериментов Роланда фон Этвешав 1889 г.), показывают, что притяжение тел к Земле в действительностипропорционально их массе, а не барионному числу. В 1955 г. Т. Д. Лииз Колумбийского университета и Ч. Н. Янг из Института высших иссле-дований в Принстоне проанализировали эти эксперименты и сделали вы-вод, что любое баритропическое взаимодействие между двумя ядернымичастицами должно быть намного слабее, чем гравитационное взаимодей-ствие, которое само почти на 40 порядков величины слабее, чем электро-магнитное взаимодействие. Разумеется, гипотезу о том, что барионноечисло играет динамическую роль подобно электрическому заряду, нельзясчитать окончательно опровергнутой, однако аргументы Ли и Янга дела-ют ее крайне маловероятной.

Сделанный вывод, что барионное число не имеет динамического смыс-ла, не влечет за собой немедленного заключения, что барионное число несохраняется. Действительно, начиная с середины тридцатых годов физикипознакомились со многими величинами, которые хотя и не имеют динами-ческого характера, как электрический заряд, однако тем не менее сохра-няются, хотя бы в некотором ограниченном смысле. Среди них — величи-ны, называемые странностью, изоспином и зарядовым сопряжением.Например, протоны и нейтроны имеют нулевую странность, некоторыегипероны имеют странность — 1 , а некоторые мезоны, называемые К-мезо-нами, имеют странность + 1 . Сохранение странности было опять-такивведено как бухгалтерское правило для того, чтобы объяснить тот наблю-даемый факт, что К-мезон или гиперон ие могут образоваться поодиночкепри столкновении обычных атомных ядер, но может происходить их сов-местное рождение, потому что один К-мезон и один гиперон имеют сум-марную странность, равную нулю. За все годы, прошедшие с того момента»когда было введено барионное число, не возникало сомнений в том, чтозакон сохранения этого числа не более чем еще одно из подобных недина-мических бухгалтерских правил, которые почему-то выполняются.

D

Этот взгляд на законы сохранения претерпел радикальное изменениепосле того, как были построены современные теории взаимодействия эле-ментарных частиц. Эти теории описывают все известные взаимодействияэлементарных частиц (кроме гравитационного) способом, весьма похожимна тот, каким описывались чисто электромагнитные взаимодействия в ста-рой теории; эта последняя, называемая квантовой электродинамикой,была развита в 30-х и 40-х годах. Теперь считают, что существуют 12 полей,похожих на электромагнитное поле квантовой электродинамики. Среди нихвосемь глюонных полей, которые обеспечивают сильное ядерное взаимо-действие, удерживающее кварки внутри барионов и мезонов, и четыреэлектрослабых поля, которые создают одновременно и слабое ядерноевзаимодействие, отвечающее за β-распад и электромагнитное взаимодей-ствие. Соответственно имеется 12 законов сохранения, подобных законусохранения электрического заряда, для величин, называемых цветом,электрослабым изоспином и электрослабым гиперзарядом. (Цвет — этосвойство кварков, не имеющее ничего общего с видимым цветом; электри-ческий заряд есть определенным образом скомбинированная смесь электро-слабого гиперзаряда и электрослабого изоспина.) В отличие от барионногочисла, эти сохраняющиеся величины имеют прямой физический смысл:

158 С. ВАЙНБЕРГ

частицы — переносчики этих величин — порождают глюонные и элек-трослабые поля, и эти поля в свою очередь воздействуют на любую такуючастицу. Сила взаимодействия зависит от конкретных значений всех 12 ве-личин, переносимых частицей.

В то же самое время появление новых законов сохранения снизило,в некотором смысле, значение старых, нединамических законов. Например,современная теория сильных ядерных взаимодействий настолько жесткоограничена законом сохранения цвета (а также и другими принципами),что пока не видно, каким образом можно было бы включить в нее допол-нительные условия, необходимые для учета несохранения странности.Конечно, можно попробовать ввести фундаментальное взаимодействие,нарушающее странность. Однако оказывается, что всегда существуетвозможность переопределить понятие странности таким образом, что онаопять будет сохраняющейся величиной. Поэтому в настоящее время счи-тают, что сохранение странности является не фундаментальным принци-пом, как сохранение энергии или сохранение заряда, а следствием теориисильных взаимодействий и, в частности, истинно фундаментального зако-на сохранения цвета. Поскольку сохранение странности не являетсяфундаментальным принципом физики, не существует и причин, по которымэто понятие имело бы смысл вне сферы сильных взаимодействий. Действи-тельно, с момента открытия странности было известно, что она не сохра-няется в слабых ядерных взаимодействиях.

Другие нединамические законы сохранения обладают теми же не-достатками; они рассматриваются не как фундаментальные законы сохра-нения того же уровня, что сохранение энергии или заряда, а скорее какматематическое следствие структуры существующей теории взаимодейст-вия элементарных частиц. Список законов сохранения, которые в настоя-щее время можно считать фундаментальными, будет включать в себя12 величин, связанных с сильными и электромагнитными взаимодействия-ми, сохранение таких величин, как энергия и импульс, которые подоб-ным же образом связаны с гравитационным взаимодействием, и сохранениебарионного заряда, который не связан с каким-нибудь известным взаимо-действием.

Уже один этот факт может вызвать подозрение относительно сохране-ния барионного числа: барионное число не обязано сохраняться, в то вре-мя как сохранение энергии, заряда, цвета и других подобных величиннеобходимо для построения разумной теории взаимодействия элементар-ных частиц. Более того, существуют определенные указания на то, чтосохранение барионного числа не является строгим правилом. Одно изтаких указаний дает современная теория электрослабых взаимодействий.Джерард т'Хоофт из университета в Утрехте показал, что в рамках этойтеории некоторые тонкие эффекты, которые не могут быть представленыв виде любого конечного числа излучений и поглощений элементарныхчастиц, ведут к процессам несохранения барионов, но интенсивность этихпроцессов исключительно мала. Эти процессы протекают слишком мед-ленно, чтобы их можно было наблюдать, но интересно, что они появляютсякак раз из-за того, что сохранение барионного числа не связано с каким-либо видом баритропического поля; никакие подобные эффекты не могутвызвать несохранение таких величин, как, например, электрическийзаряд, который связан с полем взаимодействия.

D

Еще одно указание на возможное несохранение барионного числаидет из космологии. Можно предполагать, хотя бы на основе эстетических

РАСПАД ПРОТОНА 159

Т а б л и ц а I

Основные моды распада частиц определяются фундаментальными законамисохранения. Закон сохранения энергии требует, чтобы* масса распадающейсячастицы была не меньше, чем суммарная масса продуктов распада. Закон

сохранения электрического заряда требует, чтобы варяд распадающейся частицыбыл равен полному заряду продуктов распада. Закон,? сохранения барионного

числа устанавливает, что барионное число распадающейся частицы должно бытьравно сумме барионных чисел продуктов распада. Протон*и многие более тяжелыечастицы имеют барионное число -|-1. Все частицы легчеЦпротона имеют барионное

число нуль. В таблице частицы расположены в порядке возрастания массы.Массы указаны в энергетических единицах, в миллионах^ электрон-вольт (МэВ).Заряд дан в единицах заряда протона. Под каждой модой распада приведен

баланс трех сохраняющихся величин. Распад протона на более легкие частицыозначает переход из состояния с барионным числом -{-1 в состояние с барионным

числом нуль, и поэтому этот распад запрещен законом сохранения барионногочисла. Если будет найден распад протона, это'будет означать, что закон

сохранения барионного числа не всегда? выполняется.

Частица

Фотон (γ)Нейтрино (ν)Антинейтрино (ν)Электрон (е~)Позитрон (е+)

Мюон (μ~)

Антимюон (μ+)

Пи-мезон (π+)

(π°)

(π~)

К-мезон (К+)

Масса,МэВ

00?0?

0,5110,511

105,7

105,7

139,6

135

139,6

493,7

Эле

ктр

и-

ческ

ий

зар

яд

000

- 1+1

+1

+1

+1

0

- 1

+1

Бар

ион

-н

ое ч

исл

о

о о

о

о

о

0

0

0

0

0

0

Основная мода распада

Неизвестна»»»»

μ- -> е~ + ν + ν

Масса: 105,7-^0,511+0+0Заряд: - 1 -> - 1+0+0Барионное число: 0-> 0+0+0

μ+ -> e+ + v + vМасса: 105,7-> 0,511+0+0Заряд: + 1 -^-+-1-{-0+0Барионное число: 0-> 0+0+0

π+-*-μ++νМасса: 139,6-> 105,7+0Заряд: + 1 -»- + 1 + 0Барионное число: 0->0+0

ΐχθ->γ + γМасса: 135-> 0+0Заряд: 0 -> 0+0Барионное члсло: 0 -*• 0+0

π -»-μ~ + νМасса: 139,6-> 105,7+0Заряд: - 1 ->• - 1+0Барионное число: 0 -*• 0+0

Κ+-^μ+ + νМасса: 493,7-> 105,7+0Заряд: _f-l-^+l+0Барионное число: 0->-0+0

160 С. ВАЙНБЕРГ

Т а б л и ц а I (продолжение)

Частица

(Ч)

(К-)

Протон (р)

Антипротон (р)

Нейтрон (п)

Антинейтрон (п)

Л-гиперон (Л°)

Л-антигиперон(Л5)

Масса,МэВ

497,7

497,7

493,7

938,3

938,3

939,6

939,6

1115,6

1115,6

Эле

ктри

-че

ский

заря

д

0

0

- 1

+1

- 1

0

0

0

0

Бар

ион

-но

е чи

сло

0

0

0

+ 1

_ γ

- 1

- 1

—1

Основная мода распада

Κ"-^π+ + π-Масса: 497,7-> 139,6+139,6Заряд: 0 - ^ + 1 + - 1Барионное число 0 -*• 0+0

Κ^->π ο + π° + π°Масса: 497,7 ̂ 135+135+135Заряд: 0 -»- 0+0+0Барионное число: 0->- 0+0+0

Масса: 493,7 -• 105,7+0Заряд: - 1 ->- - 1+0Барионное число 0~>0+0

Неизвестна

»

п->- p+e~+vМасса: 939,6-*-938,3+0,511+0Заряд: 0 - * - + 1 + - 1 + 0Барионное число: + 1 ->- + 1 + 0 + 0

η -*- ρ + е+ + νМасса: 939,6-^938,3+0,511+0Заряд: ΰ -»- - 1 + + 1 + 0Барионное число: - 1-> - 1 + 0 + 0

Λ°-^ρ+π-Масса: 1115,6-^938,3+139,6Заряд: 0 - > + 1 + - 1Барпонное число: + 1 -> + 1 + 0

Λ°->ρ"+π+

Масса: 1115,6-»-938,3+139,6Заряд: 0-»- - 1 + + 1Барионное число: - 1-> - 1 + 0

принципов, что начальная вселенная содержала равные количества ве-щества и антивещества и, следовательно, равные числа барионов и анти-барионов. Согласно этой гипотезе полное барионное число вселенной вначальный момент было равно нулю. Если бы барионное число сохраня-лось, полное барионное число оставалось бы равным нулю. Почти всепротоны и нейтроны аннигилировали бы посредством соударений с анти-

РАСПАД ПРОТОНА 161

протонами и антинейтронами и сегодняшняя вселенная содержала былишь жидкую кашицу фотонов и нейтрино без звезд, без планет и без уче-ных.

Возможно, что вселенная с самого начала содержала избыток ве-щества над антивеществом, так что некоторое количество должно былоостаться после взаимной аннигиляции частиц и античастиц. Возможно,также (хотя обычно считается маловероятным), что вещество и антиве-щество каким-то образом разделились и что мы живем в участке положи-тельного бариопного числа вселенной с нулевым полным барионнымчислом. Однако если барионнос число не сохраняется, существует болеепривлекательная возможность, а именно, что вселенная началась с одина-ковым количеством вещества и антивещества, и имеющийся сейчас избытокчастиц с положительным барионпым числом возник как следствие физи-ческих процессов, нарушающих сохранение барпопного числа. (Послеэксперимента, который выполнили в 1964 г. Джеймс Кристепсоп, ДжеймсКронин, Вал Фитч и Рене Турле из университета в Лрпистоне, сталоизвестно, что не существует точной симметрии вещество — антивещество,которая предполагает, что процессы с рождением антибарионов должныидти с такой же точно интенсивностью, как и процессы с рождением ба-р ионов.)

Эти соображения, а также отсутствие баритроиического взаимодейст-вия, что доказывается аргументами Ли и Янга, привели некоторых теоре-тиков (в том числе русского физика Андрея Сахарова и меня) в шестидеся-тые годы к предположению, что барионное число, возможно, не являетсяточно сохраняющейся величиной. Космологические соображения стиму-лировали также проведение в те годы по крайней мере одного экспери-мента по поиску протонного распада, который выполнили Т. Альвэгер,И. Мартинсон и X. Райд из университета в Стокгольме и Нобелевскогоинститута. За последние годы ряд теоретиков разработал схему образова-ния барионов на ранней стадии вселенной.

Любое предположение о возможном пссохранении бариониого числанемедленно приходит в столкновение с тем фактом, что обычная материявесьма стабильна. Морис Гольдхабер из Брукхэйвенской Национальнойлаборатории заметил, что «мы знаем своими костями», что среднее времяжизни протона больше чем 1016 лет. Если бы ото время жизни было за-метно меньше, 1028 протонов, образующих человеческое тело, распадалисьбы со средней скоростью больше, чем 1012 протонов в год или 30 000 рас-падов в секунду, и мы сами представляли бы угрозу для своего здо-ровья.

Разумеется, можно установить более строгую границу времени жизнипротона, пытаясь обнаружить протонный распад. Первый экспериментэтого рода выполнили в 1954 г. Фредерик Ра иное if Клайд Коуэн мл.,которые работали тогда в Национальной лаборатории в Лос Ал амосе,и Гольдкабер. Они использовали около 300 л жидкого сцинтиллятора,вещества, в котором энергичные заряженные частицы, образованные в про-тонном распаде, давали бы заметную вспышку света. Как и во всех после-дующих экспериментах с протонным распадом, аппаратура была помещенапод землей, чтобы защитить ее от космических лучей. (Энергичные части-цы этих лучей способны давать события, которые могут быть ошибочноприняты за распад протона.) При таких мерах предосторожности онинаблюдали лишь несколько вспышек в секунду, почти все из которыхмогли быть приписаны космическим лучам, проникающим глубоко подземлю. Райнес, Коуэн и Гольдхабер пришли к выводу, что среднее времяжизни протона или связанного нейтрона должно быть больше чем1022 лет.11 УФН, т. 137, вып. 1

162 С. ВАЙНВЕРГ

DПоследующие эксперименты, выполненные несколькими физиками,

постепенно поднимали эмпирическую нижнюю границу времени жизнипротона. Наиболее продуманный поиск из веек, результаты которыхопубликованы к настоящему времени, был выполнен сотрудничествомисследователей из университетов Кэйз Вэстерн Резерв, Витуотерсрэнди университета Калифорнии в Ирвине. Они исследовали 20 τ жидкогосцинтиллятора на глубине 3,2 км в золотой шахте в Южной Америкес 1964 по 1971 г. Последний анализ их данных дал результат, что среднеевремя жизни протона или связанного нейтрона больше чем 1030 лет.

Это на самом деле долгое время жизни. Для сравнения возраст все-ленной оценивается сейчас около 1010 лет. Надежда зарегистрироватьраспад частиц с таким большим временем жизни существует толькопотому, что процессы радиоактивного распада работают статистически:набор частиц со средним временем жизни t лет не будет весь существоватьt лет с последующим синхронным распадом; скорее можно ожидать, чтоза первый год распадается доля ill от полногочисла частиц, за следующийгод распадается доля l/ί от оставшихся частиц и так далее. Нижняя грани-ца времени жизни протона определяется не путем наблюдения за однимпротоном в течение долгого времени и ожиданием его распада, а наблюде-нием за 1031 протонов и нейтронов в 20 тоннах сцинтиллятора в течениенескольких лет и ожиданием распада нескольких дюжин из них.

Долгое время жизни протона привело к мысли о сохранении барион-ного числа. Как может протон жить так долго, если нет закона сохране-ния, позволяющего ему жить вечно? Ответ на этот вопрос был полученв течение нескольких последних лет.

Напомним, что современные теории слабого, электромагнитного исильного взаимодействий очень сильно ограничены — настолько, что,например, невозможно включить в теорию сильных взаимодействий не-сохранение величины, называемой странностью. Эта теория оказываетсянастолько ограниченной, что невозможно сделать ее достаточно сложной(не считая маленьких эффектов т'Хоофта), чтобы разрешить любое нару-шение сохранения бариоиного числа до тех пор, пока мы не введем новыйвид частиц с экзотическими величинами заряда, цвета и так далее. Такиечастицы должны качественно отличаться от любых известных сейчасчастиц.

Если допустить существование экзотических частиц подходящеговида, распад протона становится возможным. Известные законы сохра-нения для заряда, цвета и так далее, говорят, что требуется частицас электрическим зарядом +4/3, -\ 1/3 или —2/3 от заряда протона; части-ца должна также иметь внутренний спиновый угловой момент, равный 0или 1, и цвет, как у антикварка. Такая экзотическая частица могла бы,например, образовываться, когда кварк переходит в антикварк, и затемисчезать, когда другой кварк переходит в антилептон (позитрон, антимюонили антинейтрино), таким способом три кварка, которые образуют про-тон, могут распадаться на антилептон и мезон, образованный из оставших-ся кварка и антикварка.

Любые экзотические частицы такого типа должны быть очень тяжелы-ми, иначе их бы уже обнаружили. Если они достаточно тяжелы, это соз-даст трудности для их испускания и поглощения и, следовательно, приве-дет к очень малой интенсивности протонного распада. Таким образом,появляется возможность объяснить долгое время жизни протона безпредположения существования какого-то фундаментального закона сохра-нения, который обеспечил бы стабильность протона, и становится вероят-ной возможность того, что он не живет вечно.

РАСПАД ПРОТОНА 163

Насколько же тяжелыми должны быть эти экзотические частицы, что-бы объяснить долгое время жизни протона? Если считать, что экзотическиечастицы взаимодействуют более или менее подобно фотонам, можно датьгрубую оценку, что времени жизни протона больше чем 1030 лет соответст-вует масса экзотических частиц, превышающая 1014 протонных масс. Это

лг/ъ

ИварнАнтии8арн

•ΧΛ/'Ν. Энзотичвснаячастица

ПозитронАнтинейтрино

Рис. 3. Распад протона путем испускания и поглощения тяжелой экзотической частицынаиболее вероятно приводит к образованию позитрона (е+) и нейтрального мезона (π°)

или антинейтрино (ν) и положительного мезона (л°).Протон считается составной частицей, в которой находятся три конституента, называемые кварками;мезон состоит из кварка и антикварка. Результатом излучения или поглощения экзотической части-цы является преобразование двух кварков в антикварк и позитрон (четыре верхних реакции) илив антикварк и антинейтрино (три нижних реакции). На линиях, представляющих кварки, позитро-ны, антинейтрино и экзотические частицы, показан их электрический заряд. Заряд сохраняетсяво всех семи реакциях, которые представляют все основные возможные способы, путем которыхиспускание и поглощение одиночной экзотической частицы приводит к распаду протона на мезони позитрон или на мезон и антинейтрино. Несколько видов экзотических частиц могут привестик распаду протона. Они различаются электрическим зарядом (плюс или минус 1/3, плюс или минус2/3 и плюс или минус 4/3) и внутренним угловым моментом-спином. Спин может быть равным нулю

(как у пи-мезона) или 1 (как у фотона).

потрясающе большая масса, большая, чем кто-либо может надеятьсяполучить на любом ускорителе в обозримом будущем. И все же есть покрайней мере еще два соображения, заставлющие предполагать существо-вание частиц с такой огромной массой.

Первое соображение связано с явлением гравитации, которое до сихпор оставалось вне поля нашего зрения. Эйнштейновская общая теорияотносительности дает разумное описание гравитационных взаимодействийчастиц при всех экспериментально достижимых энергиях. Однако из-заквантовых флуктуации, теория нарушается при очень высоких энергиях^

11*

164 С. ВАЙНБЕРГ

порядка 1019 протонной массы. Этот предел известен как планковскаямасса, так как Макс Планк в 1900 г. заметил, что эта масса естественнымобразом появляется при любой попытке комбинирования его квантовойтеории с теорией гравитации. Приблизительно планковская масса эквива-лентна энергии, при которой гравитационное взаимодействие междучастицами становится сильнее, чем электрослабое или сильное взаимо-действия. Чтобы избежать внутренних противоречий между квантовоймеханикой и общей теорией относительности, при энергии около 1019 про-тонных масс должны появиться некоторые качественно новые эффекты.

Вторая причина ожидать появления новых степеней свободы присверхвысоких энергиях связана с электрослабым и сильным взаимо-действиями. Современная теория этих взаимодействий содержит трипараметра, известные как константы связи. Одна из этих констант, обозна-чаемая gs, описывает интенсивность, с которой глюонные поля взаимо-действуют с частицами, обладающими сохраняющимся числом, называемымцветом; две другие константы связи, обозначаемые $г и g.2, описываютинтенсивность взаимодействия электрослабых полей с частицами, обла-дающими элсктрослабым зарядом и электрослабым изоспином соответ-ственно. Хотелось бы верить, что все эти взаимодействия имеют общуюприроду; в этом случае все константы связи должны быть одного порядкавеличины. По это находится в очевидном противоречии с тем фактом, чтосильное взаимодействие действительно является сильным, измеренияпоказывают, что величина # s намного больше, чем gl или g2.

DЭта трудность была преодолена в Гарвардском университете в 1974 г.

Ховардом Джорджи, Хэлен Р. Квинн и мной. После работы 1954 г. Мюр-рея Гелл-Манна из Калифорнийского технологического института и Фрэн-сиса Е. Лоу из Массачусетского технологического института было из-вестно, что константы связи каким-то образом зависят от энергии текфизических процессов, в которых они измеряются. В 1973 г. независимыерасчеты X. Дэвида Политцера из Гарварда и Дэвида Гросса и Фрэн-ка Вилчека из Приистона показали, что константа сильного взаимо-действия #\ медленно уменьшается при увеличении энергии. Большаяиз двух электрослабых констант g2 тоже уменьшается, но еще медленнее,в то время как меньшая электрослабая константа связи gx увеличиваетсяс ростом энергии. Джорджи, Квинн и я высказали предположение, чтомасштаб энергий, при котором происходит объединение сильных и электро-слабых взаимодействий, чудовищно велик, настолько велик, что оченьслабое уменьшение сильной константы связи с ростом энергии и еще болеемедленное изменение с энергией двух электрослабых констант приводитих при этой сверхвысокой энергии к одной и той же величине. Говоряточнее, при довольно общих предположениях (в основном, что сильныеи электрослабые взаимодействия объединены некоторого рода симметрией,известной в математике как «простая» группа, что отсутствуют промежу-точные уровни унификации и что частицы с полуцелым спином обладаютсвойствами, более или менее подобными известным свойствам лептонови кварков) мы нашли, что сильные и электрослабые взаимодействиядолжны объединяться при энергии порядка 1015—1016 протонных масс.

Любая теория, которая объединяет сильное и электрослабое взаимо-действие и рассматривает лептоны и кварки одинаковым образом, должнавключать новый тип частиц, чтобы картина была полной, и, как я показалвыше, нет специальных причин думать, что взаимодействие этих новыхчастиц будет сохранять бариониое число. (Масштаб энергий 1015—1016 мас-сы протона, вычисленный Джорджи, Квинн м мной, достаточно высок для

РАСПАД ПРОТОНА 165

того, чтобы несохраняющее барионное число взаимодействие, вызываемоеэкзотическими частицами такой массы, не приводило к времени жизнипротона, противоречащему существующей экспериментальной нижнейоценке К)30 лет. Мы оценили это время жизни около 1032 лет.)

Начиная с 1973 г. многие теоретики разработали теории такого рода,в том числе Иогеш Пати из Мэрилендского университета и Абдус Саламиз Международного центра теоретической физики в Триесте, Джорджии Шелдон Ли Глешоу из Гарварда, Гарольд Фриш и Питер Минковскийиз Калтеха и Феза Гюрзой, Пьер Рамон и Пьер Спкиви из Польскогоуниверситета. Эти модели обычно известны по типу математической группы

Рис. 4. Сила трех фундаменталь-ных взаимодействий — сильного,электромагнитного и слабого —между элементарными частицамименяется в зависимости от энер- ^ -/ огии процесса, в котором она из- g? >

меряется. ^Электромагнитное взаимодействие дей-ствует между частицами с электриче-скими зарядами, сильное взаимодейст-гше связывает вместе кварки, чтобыобразовать протоны и другие частицы,и слабое взаимодействие ответственноза некоторые радиоактивные распады. QЭлектромагнитное и слабое взаимодей- ^ 0}Четвия были объединены в одну теорию,которая постулирует существованиедвух типов электрослабого взаимодей-ствия. Соотношение между сильным иэлектрослабым взаимодействиями дает- О\ 1 1 Lся тремя безразмерными константами * γη',связи (обозначаемыми gs для сильного 'и g, и g2 Для электрослабых взаимодейст-вии). Хотя эти величины называютсяконстантами, они слабо меняются с энер-гией. Если все эти изаимодейстния имеют общую природу, тогда можно ожидать, что при некоторойэнергии эти константы смязи имеют одну и ту же неличину; другими словами, ожидается, что тривзаимодействия имеют одинаковую силу. Вычисленная при достаточно общих предположениях энер-

гия объединения оказалась около К)16 массы протона.

10а 1010 1012-

Энергия, масс протона

симметрии, которая связывает различные взаимодействия, напримерSU('i)1. SU(T)), SO(10), A\j, ΕΊ и SU(7). Все эти модели включают экзоти-ческие частицы, при испускании или поглощении которых происходитпревращение кварка в антпкварк и лептой или антилептон; следовательно,как сказано в первой статье Пати и Салама, в которой предлагается объеди-нение сильного и электрослабого взаимодействий, в них допускаютсяпроцессы с нарушением барпонного числа. Далее, все эти модели илипо крайней мерс некоторые их версии, удовлетворяют общим предполо-жениям, сделанным Джорджи, Квинн и мной, поэтому ожидаемая массаэкзотических частиц должна быть порядка 1015 или К)16 масс протонаи время жизни протона будет порядка нашей грубой оценки 1033 лот.

Сравнительно недавно многие теоретики проделали более детальныерасчеты, в том числе Анджей Бурас, Джон Элис, Мэри К. Гайяр и Демет-рес В. Нанопулос из Европейской организации ядерных исследований(ЦЕРП), Тэренс Голдман и Дуглас Росс из Калтеха, Уильям Марчианои Альберто Сирлин из Рокфеллеровского университета и Нью-Йоркскогоуниверситета, Цецилия Ярлског и Франческо Индурайн из ЦЕРНа иЛоуренс Холл из Гарварда. Новые расчеты дали улучшенную величинупорядка 101δ массы протона для масштаба суиертяжелой массы и времяжизни протона около К)31 лет. К сожалению, расчет вероятности про-тонного распада осложнен наличием сильного ядерного взаимодействиямежду кваркамц и антнкваркамн в протоне и в продуктах распада и

166 С ВАЙНБЕРГ

поэтому, если даже свойства экзотических сверхтяжелых частиц были быточно известны, все равно было бы невозможно предсказать время жизнипротона с точностью лучше чем порядок величины.

D

Экспериментальное исследование слабых взаимодействий уже далонекоторые подтверждения общего анализа, проделанного Джорджи,Квинн и мной. Было бы неудивительным обнаружить, что графики любых

Фотоумножители'Зеркало Счетчики

^Металлическая mpuSa,на которой держатся ъвркало

ВетокРис 5. Тысячетонный детектор, коюрыи создается в шахте Сильвер Кинг близ Парк-

Сити, штат ЮтаДет· ктор содержит 800 фелоумножиге ле и распре Д( к иных и об ье ме поды Фотоумнон im ли це ржатсяна проволочных кольцах а иен камера окружена дополнительными счетчиками и толстой Гк тоннойзащитой Контролиру< мый объем воды содержит приблизительно Ь К)32 протонов и нейтронов Де-тектор создается физиками Гарвардского университета универешета Пардью и Висконсинского

университета

двух из трех констант связи где-то пересекаются, но, чтобы три кривых,представляющих зависимости трех констант связи от энерига пересека-лись в одной точке, необходимо наложить некоторое условие на их началь-ные точки, т. е. на величины констант связи при низких энергиях. Исполь-зовав это условие, мы вычислили, что при наших общих; предположенияхнекоторый параметр (связанный с отношением gx и gz), который описываетобъединение слабого и электромашитного взаимодействий, имеет величи-ну, близкую к 0,2. Эксперименты с взаимодействием электрона и нейтринодают значение этого параметра между 0,2 и 0,23. Теоретическое и экспери-ментальное значения настолько близки, что это заставляет нас отнестисьсерьезно к нашему анализу, хотя он и включает в себя экстраполяциюневиданного размера: 13 порядков величины но энергии.

РАСПАД ПРОТОНА 167

Масса порядка 1015 протонных масс так велика, что излучение илипоглощение таких тяжелых частиц почти невозможно при эксперименталь-но достижимых энергиях и они могут вызывать только очень малые эффек-ты в любом реальном эксперименте. Единственная надежда обнаружитьэти малые эффекты связана с тем, что они, возможно, нарушают некоторыезаконы сохранения и тем самым разрешают некоторые процессы, которыебез этого были бы строго запрещенными. Один из этих законов сохраненияесть закон сохранения барионного числа, который проверяется путемпоиска протонного распада. Еще одним таким законом сохранения, кото-рый не требуется для непротиворечивости теорий взаимодействий частиц,является сохранение полного числа лептонов (нейтрино, электронов,мтоонов и так далее) минус число антилептонов. Несохранение лептонногочисла может проявиться в таких процессах как безнейтриниый двойнойβ-распад: распад двух протонов в ядре в два нейтрона плюс два позитрона.Барнонное число в этой реакции останется константой, а лептонное числоуменьшится на 2. Эта реакция не нарушает закона сохранения энергии,так как нейтроны в конечном состоянии не свободны, а имеют отрицатель-ную энергию связи в ядре. Еще одним признаком нарушения сохранениялептонного числа могла бы быть ненулевая масса нейтрино.

Несколько новых попыток определить время жизни протона делаетсяв настоящее время. Ужо ведутся эксперименты в шахте Судан в Миннесоте,в золотой шахте Колар в южной Индии, в туннеле под Монбланом междуФранцией и Италией и в Баксанской долине в районе Кавказа в СССР.К концу года начнут набор статистики еще три эксперимента: в солянойшахте Мортон в Огайо, в шакте Спльвер Кинг в Юте и еще в туннеле подМонбланом. Рассматривается возможность постановки новых экспери-ментов.

DТехника всех этих экспериментов основана на том, чтобы скомпенси-

ровать крайнюю медленность протонного распада тщательной проверкойочень большой массы вещества. Чем больше масса, тем больше число про-тонов и связанных нейтронов и, следовательно, тем больше вероятностьнаблюдения распада. Ожидается, что будет возможно зарегистрироватьраспад протона или связанного нейтрона при среднем времени жизни,превышающем существующую границу 1030 лет. Эксперименты разли-чаются главным образом по составу и количеству проверяемого вещества,по типу и конструкции приборов, используемых для регистрации протонов,распадающихся в веществе, и мерами предосторожности, принятымив эксперименте для подавления случайных сигналов от космических лучей,включая глубину под землей, на которой проводятся эксперименты.

Поскольку проверяться должна очень большая масса, экспериментыдолжны использовать сравнительно недорогое вещество, такое, как вода,бетон или железо. В экспериментах в шахте Судан, золотой шахте Колари в туннеле Монблан, где используют железо или бетон, применяют такиедетекторы, как пропорциональные трубки или стримерные трубки, кото-рые способны непосредственно регистрировать энергичные заряженныечастицы, образованные при распадах протонов. Эти заряженные частицыимеют короткий пробег в железе или бетоне, поэтому трубки детекторадолжны располагаться близко друг к другу по всему объему наблюдаемоговещества.

С другой стороны, эксперименты в соляной шахте Мортон, шахтеСильвер Кинг и золотой шахте Хомстейк, которые проверяют прозрачныйматериал, такой, как вода, используют другую стратегию. Энергия,высвобождаемая при распаде протона, достаточно велика для того, чтобы

168 С. ВАЙНБЕРГ

электрон, позитрон, мюон или пи-мезон, излучаемые при распаде, имелиочень высокую скорость, меньшую, конечно, чем скорость света в вакууме,но большую, чем скорость света в воде. Когда заряженная частица прохо-дит через прозрачную среду со скоростью выше, чем скорость снета в этойсреде, происходит то, что известно как эффект Черепкова. Ото похожена звуковой удар, образуемый самолетом, летящим со скоростью большескорости звука в воздухе, с той разницей, что эффект Черепкова этооптический удар, при котором частица излучает световой конус вместозвукового. Красивое голубое сияние черенковского спета было замеченоеще Марией Кюри в ранних экспериментах по радиоактииности, однакосвойства его были детально исследованы в 30-\ юда\ П. А. Черенковым.Угол между лучами черенковского света и направлением заряженной

Нонусы1 черенновсного

сВетп\ Не и трин-

новВгаимо-децотбие

Рис. 6. Черепковское излучение — .ντο нетолько сигнал о возможном распаде про-тона, но также о взаимодействии, вызван-ном частицей высокоп энергии из косми-

ческого пространства.В дейстпитетыюсти бочьишнство вспышек света,регистрируемых фотоумножителями, ожидаетсяне от продуктов распада про гена Чис ю конусовCBi ι а и их таил пая ορικ нтации HOMOI yi от пичигьраепад протона от других событий, таких, каксто пшош ние нейтрино, рожденного космическимилучами в емнон л\мг сфере, с протоном или ней-троном в детекторе Например распад препона напояитроп и нейтрапьный гш-мезон оГрачуют триконуса черенковского смета г од некоторыми харак-терными углами Пенит юн д \ст один конус, а рас-паду нейтрапьного пи-ме она на два фотона, каж-дый ит которых даст чивень э гектрически заря-женных частиц будут сеюгветстиоьлгь два дру] ихконуса евс га При пзаимодеисгиии нейтрино обра-зуется только один каскад )лекгрически наряжен-ных частиц и потому илО подается гопъко один

конус чере нконского ич]учения

частицы зависит от отношения скорости заря/кеннон частицы к скоростисвета в среде. Наибольший свет излучают частицы, идущие почти со ско-ростью света в вакууме, и в этом случае данный угол имеет характернуюдля воды величину около 42°.

Наблюдение конуса черенковского света служит сигналом, что в дан-ной среде произошло что-то, в результате чего образовались быстрыезаряженные частицы. Далее, для данной начальной скорости ширинаконуса и количество излучаемого света зависят только от расстояния,которое проходит заряженная частица до того момента, когда ее скоростьстанет ниже скорости света в среде, что в свою очередь зависит от ее началь-ной энергии. Следовательно, зарегистрировав места, куда приходит свети интенсивность этого света, можно вычислить начальную энергию и напра-вление каждой заряженной частицы. В некоторых случаях движущаясячастица сама может распасться, излучив другие частицы, которые образу-ют вторую вспышку черенковского света. Мюон или антимюон, рожден-ный в протонном распаде, может распасться, образовав электрон, которыйизлучит черенковский свет. Заряженный пи-мезон может распасться намедленный мюон или антимюон, который в свою очередь распадаетсяна быстрый электрон или позитрон, который и дает конус света. Нейтраль-ный пи-мезон может распасться на два фотона, каждый из которых дастливень заряженных частиц с сопровождающим их черенковским светом.Использование черенковского света для регистрации протонных распа-дов представляет собой альтернативу прямому наблюдению заряженныхчастиц и дает возможность восстановить процесс распада и убедиться, чтодействительно наблюдается распад протона.

РАСПАД ПРОТОНА 169

Одно из преимуществ использования черепковского света по сравне-нию с другими методами регистрации протонного распада заключаетсяв том, что свет может проходить в воде большие расстояния, чем самизаряженные частицы. Следовательно, для какого-то заданного объемапроверяемого вещества требуется меньше детекторов, чем в экспериментес использованием непрозрачных веществ, как железо или бетон. С другойстороны, водяной черенковский детектор чувствителен лишь к заряжен-ным частицам, идущим быстрее света в воде. К тому же сравнительномалая плотность воды требует создания большего объема под землей, чтобыразместить некоторую заданную массу проверяемого материала, и этавода должна поддерживаться в очень чистом состоянии, чтобы она про-должала оставаться прозрачной по отношению к черенковскому свету.Как я уже говорил, продолжается энергичная работа как на эксперимен-тах, использующих в качестве проверяемого вещества воду, так и на тех,которые используют более плотные вещества.

αКакие вероятности протонного распада могут быть найдены в этих

экспериментах? Возьмем в качестве примера планируемый экспериментс самой большой проверяемой массой, который предлагается проводитьв соляной шахте Мортон. Из полной проверяемой массы 10 000 τ воды,наружный слой, возможно, около 5000 тонн, будет использован для защи-ты от фоновых космических лучей. Остающаяся масса 5000 тонн водысодержит 3 Ί 0 3 3 протонов и связанных нейтронов. Если среднее времяжизни протона около 1031 лет, как указывает улучшенная версия анализа,сделанного Джорджи, Квинн и мной, должно происходить около 300 про-тонных распадов в год. Несколько лет наблюдения дадут несколько собы-тий протонного распада, даже если время жизни составляет 1033 лет,но при такой малой вероятности распада уже становится опасным неизбеж-ный фон ложных событий от космических нейтрино и дальнейшее улуч-шение эксперимента становится затруднительным.

Что мы узнаем, если будет обнаружен распад протона? Разумеется,немедленно будет сделан вывод, что барионное число не сохраняется, и этоподдержит растущую уверенность в том, что все сохраняющиеся величины,подобно электрическому заряду, имеют динамический смысл. Далее, еслираспад протона будет обнаружен в ближайшем будущем, время его жизнибудет в пределах от 1030 до 1033 лет, и это явится еще одним подтверждени-ем тех общих предположений об единстве сильных и электрослабых взаимо-действий, которые были использованы Джорджи, Квинн и мной. Суще-ствует, однако, множество теорий, которые удовлетворяют этим общимпредположениям, включая по крайней мере некоторые версии вышеупомя-нутых моделей SU(4)4, SU(5), SO(10) и так далее.

Будет затруднительно сказать, какая из этих теорий (если таковаяесть) описывает физику при очень высоких энергиях.

Но в одном можно быть уверенным. Если будет обнаружен распадпротона, большие усилия будут направлены на его изучение и в скоромвремени появится второе поколение экспериментов, в которых будетисследоваться не вопрос, распадается ли протон, а вопрос, как он рас-падается: каковы вероятности различных мод распада?

В качестве подготовки к этому этапу работы многие теоретики раз-рабатывают наиболее вероятные моды распада протона. (Замечания, сде-ланные ниже, базируются на двух независимых работах, одна из которыхсделана Вилчеком, а вторая Антони Зи и мной.) Интересно то, что можнопродвинуться довольно далеко в таком анализе, не делая никаких пред-положений относительно объединения сильных и электрослабых взаимо-

12 УФН, т. 13 7, вып. 1

170 С. ВАЙНБЕРГ

Т а б л и ц а IIТаблица экспериментов по поиску протонного распада включает пять детекторов,

которые уже действуют, три детектора, которые должны начать запись данныхв этом году, и еще пять детекторов, сооружение которых обсуждается.Эксперименты различны по типу и количеству проверяемого вещества.

Помимо этого, они выполняются на разной глубине под землей. Глубинапересчитана на эквивалентную глубину воды, обеспечивающую такую же защиту

от космических лучей

Местоположение

Золотая шах-та Хом-стейк, Юж-ная Дакота

Золотая шах-та Колар,Индия

Долина Бак-сан СССР

Шахта Судан,Миннесота

Туннель подМонбланоммеждуФранциейи Италией

Соляная шах-та, Мортон,Огайо

Шахта Силь-вер Кинг,Юта

Статус

Уже рабо-тает

То же

» »

» »

» »

Предполо-житель-но 1981

То же

Глубина,м

водяногоэквива-

лента

4400

7600

850

1800

4270

1670

1700

Проверяемоевещество

150 т воды(будет уве-личено до900 т)

150 τ железа(1/2-дюймо-вые пласти-ны)

80 τ жидкогосцинтилля-тора

30 τ бетона ижелеза (бу-дет увели-чено до1000 т)

30 τ железа ижидкогосцинтилля-тора (будетувеличенодо 200 т)

10 000 τ воды

1000 τ воды

Детекоры

144 фотоум-ножителяв воде

Газовые про-порциональ-ные счетчи-ки междупластинами

1200 фотоум-ножителей

3456 газовыхпропорцио-нальныхсчетчиковв бетоне

Фотоумножи-тели и стри-мерные ка-меры

2400 фотоум-ножителейв воде

800 фотоум-ножителейв воде

Институты-участники

УниверситетПенсильва-нии

Институт фун-даменталь-ных иссле-дований Та-та, Бомбей,УниверситетОсака, Уни-верситет То-кио

Институт ядер-ных исследо-ваний, Мо-сква

УниверситетМиннесоты,Аргоннскаянациональ-ная лабора-тория

Институтядерных ис-следований,Москва, Ту-ринскийуниверситет

Калифорний-ский уни-верситет вИрвине, Ми-чиганскийуниверситет,Брукхэвен-ская нацио-нальная ла-боратория

Гарвардскийуниверситет,УниверситетПардыо, Ви-сконсине кийуниверситет

РАСПАД ПРОТОНА 171

Т а б л и ц а II (продолжение)

Местоположение

Туннель подМонбланоммеждуФранцией иИталией

ТуннельГранд Сас-со, Италия

Япония

Туннель Фре-жюс междуФранцией иИталией

Япония

Соляная шах-та в Арте-мовен е,СССР

Статус

Предполо-житель-но 1981

Сооружа-ется

Рассмат-ривается

То же

» »

» »

Глубина,м

водяногожвива-лента

5000

4000

2700

4500

2700

600

Проверяемоевещество

Первоначаль-но 150 τ же-леза (плас-тины санти-метровойтолщины)

10 000 τ желе-за (трехмил-лиметровыепластины)

3400 τ воды

1G00 τ железа(пластиныот 3 мм до4 мм тол-щиной)

600 τ железа

100 τ жидкогосцинтилля-тора

Детекторы

Стримерныекамерымежду пла-стинами

Газоразрядныекамеры,управляе-мые стри-мернымикамерами

1056 20-дюй-мовых фото-умножите-лей

Газоразрядныетрубки истримерныекамеры

Неоновые га-зоразрядныетрубки

128 фотоумно-жителей

Институты-участники

Итальянскаянациональ-ная синхро-тронная ла-боратория,Фраскати,Миланскийуниверситет,Туринскийуниверситет

Итальянскаянациональ-ная синхро-тронная ла-боратория,ФраскатиМиланскийуниверситет,Туринскийуниверситет,Римскийуниверситет

УниверситетТокио, Япон-ская нацио-нальная ла-бораторияфизики вы-соких энер-гий, Универ-ситет Цуку-ба

Эколь Поли-техник, Па-рижскийуниверситетв Орсэ, Гор-ная школав Саклэ

УниверситетОсака, Уни-верситетТокио, Япон-ская нацио-нальная ла-бораторияфизики вы-соких энер-гий

Институтядерныхисследова-ний, Москва

1 2 *

172 С ВАЙНБЕРГ

действий. Требуются только известные законы сохранения заряда, цветаи так далее, а также предположение о том, что экзотические частицы,ответственные за протонный распад, достаточно тяжелые, какими онии должны на самом деле быть, чтобы объяснить большое время жизнипротона. В этом случае, хотя и можно получить великое множество модраспада, комбинируя излучение и поглощение этих частиц, более слож-ные моды оказываются подавленными сильнее по сравнению с более про-стыми модами за счет большой массы экзотических частиц. Если в игруне включаются какие-то специальные обстоятельства, доминирующимимодами распада будут те, в которых протон, или связанный нейтрон,распадается на позитрон, или антимюон, или антинейтрино плюс некото-рое количество мезонов, а не распады, скажем, на электрон, мюон и ней-трино плюс мезоны. Можно пойти дальше и сделать предсказания о соот-ношении вероятностей различных мод распада. Например, вероятностьраспада нейтрона на позитрон и одиночный π- или р-мезон в два разабольше вероятности распада протона по аналогичному каналу. Распадпротона на позитрон плюс мезоны более вероятен, чем протонный распадна антинейтрино и мезоны.

DКонечно, не существует абсолютной уверенности, что эти предсказа-

ния не будут опровергнуты экспериментом. Если они не подтвердятся,это будет означать, что существуют экзотические частицы намного болеелегкие, чем 1014 массы протона, которые отвечают за более сложныемоды распада. Например, распад протона или связанного нейтрона наэлектрон и мезоны вместо позитрона и мезоны, мог бы идти с заметнойвероятностью, если бы существовали экзотические частицы с массой,не больше 1010 массы протона. Распад на три электрона (или на любуюдругую комбинацию трех лептонов) мог бы наблюдаться, если бы суще-ствовали экзотические частицы с массой около 104 массы протона. Однакотакие сравнительно легкие экзотические частицы должны были бы обла-дать специальными свойствами, чтобы не вызывать «обычного» распадапротона (на мезон и позитрон, или антинейтрино) с гораздо большейвероятностью.

Подтверждение этих предсказаний, т. е. обнаружение протонныхраспадов на мезоны и позитрон или антинейтрино, и с вышеуказаннымисоотношениями между вероятностями распадов, будет свидетельствомтого, что распад протона действительно происходит вследствие существо-вания экзотических частиц с массой больше 1010 массы протона, но непоможет в выборе какой-то одной теории. Для этой цели придется иссле-довать более тонкие детали процесса распада. (Например, измерениенаправления спина позитрона или антимюона, образованного при распадепротона, может быть использовано для определения спина сверхтяжелойэкзотической частицы, путем испускания и последующего поглощениякоторой происходит распад.) Если распад протона будет обнаружен, этодостижение будет рассматриваться как триумф экспериментальной изобре-тательности и явится новой путеводной нитью в физику очень высокихэнергий, и одновременно это поставит перед экспериментаторами и теоре-тиками много новых задач, выполнение которых потребуется для понима-ния механизма протонного распада.

ЛИТЕРАТУРАG e o r g i Η . , Q u i n n R., W e i n b e r g S.— Phys. Rev. Lett., 1974, v. 33, p. 451.W e i η b e г g S.— Ibid., 1979, v. 43, p. 1566; Phys. Rev. Ser. D, 1980, v. 22, p. 1694;

Science, 1980, v. 210, No. 4474, p. 1212.T r e f i l J . S . From Atoms to Quarks: An Introduction to the Strange World.— N. Y.:

Charles Scribner's Sons, 1980.