Физики десятилетиями считали протон абсолютно стабильной частицей, однако Великие объединенные теории (GUTs), разработанные в 1970-80-х годах, предсказали возможность его распада. Несмотря на многочисленные эксперименты, проведенные на Земле, которые установили нижний предел времени жизни протона около 10^34 лет (что в 24 раза превышает возраст Вселенной), ученые продолжают задаваться вопросом: может ли скорость распада протона варьироваться в разных местах космоса или в разные периоды времени?
Новое исследование, опубликованное в Physical Review D физиками Питером Дентоном и Хуманом Давудиаслом из Брукхейвенской национальной лаборатории, предлагает интригующую гипотезу. Ученые рассчитали, что время жизни протона может составлять около 10^18 лет — это все еще в 8 раз превышает возраст Вселенной, но значительно меньше, чем показывают лабораторные эксперименты.
Исследователи рассматривают специфический канал распада, при котором протон превращается в положительный пион и темный фермион. Термин «темный» указывает на то, что эта частица слабо взаимодействует с частицами Стандартной модели. Если масса этой темной частицы меньше, чем масса протона за вычетом массы пиона, распад может происходить быстрее, чем предполагают лабораторные ограничения.
Для проверки своей гипотезы ученые обратились к геофизическим данным. Внутреннее ядро Земли находится в твердом состоянии примерно 1-1,5 миллиарда лет (оценки варьируются от 0,7 до 4,2 миллиарда лет) и излучает около 10^13 ватт энергии как абсолютно черное тело при температуре 6200 К. Если бы протоны распадались слишком быстро, выделяемое тепло расплавило бы твердое внутреннее ядро. Поскольку ядро остается твердым, время жизни протона должно превышать 2 × 10^18 лет.
Дополнительные доказательства были получены при изучении самого холодного известного пульсара PSR J2144–3933. Этот нейтронный объект имеет температуру менее 42 000 К (измерено космическим телескопом Хаббл), возраст около 0,3 миллиарда лет и массу примерно 1,4 солнечных масс, содержащую приблизительно 2 × 10^56 протонов. Расчеты показывают, что время жизни протона должно превышать 1,5 × 10^18 лет.
Исследователи также рассмотрели ограничения, накладываемые космическим микроволновым фоном, которые предполагают нижний предел времени жизни в 2 × 10^17 лет. Были проанализированы сценарии «палеодетекторов», включая потенциальные эксперименты с использованием оливина с Луны. Очень низкое соотношение (2 × 10^-18) изотопов 14C/12C в природном газе указывает на нижний предел около 10^19 лет.
Давудиасл предложил интересный теоретический механизм, объясняющий возможные вариации в скорости распада протона. Он предполагает существование гипотетической силы дальнего действия, которая может влиять на массу частиц, участвующих в распаде протона. Эта сила могла бы меняться по мере того, как Солнце совершает оборот вокруг центра Млечного Пути каждые 230 миллионов лет, что приводило бы к изменению времени жизни протона в зависимости от местоположения в пространстве и времени.
Если эта гипотеза подтвердится, она может революционизировать наше понимание фундаментальных взаимодействий и стабильности материи во Вселенной, открыв новую главу в физике элементарных частиц и космологии.
Изображение носит иллюстративный характер
Новое исследование, опубликованное в Physical Review D физиками Питером Дентоном и Хуманом Давудиаслом из Брукхейвенской национальной лаборатории, предлагает интригующую гипотезу. Ученые рассчитали, что время жизни протона может составлять около 10^18 лет — это все еще в 8 раз превышает возраст Вселенной, но значительно меньше, чем показывают лабораторные эксперименты.
Исследователи рассматривают специфический канал распада, при котором протон превращается в положительный пион и темный фермион. Термин «темный» указывает на то, что эта частица слабо взаимодействует с частицами Стандартной модели. Если масса этой темной частицы меньше, чем масса протона за вычетом массы пиона, распад может происходить быстрее, чем предполагают лабораторные ограничения.
Для проверки своей гипотезы ученые обратились к геофизическим данным. Внутреннее ядро Земли находится в твердом состоянии примерно 1-1,5 миллиарда лет (оценки варьируются от 0,7 до 4,2 миллиарда лет) и излучает около 10^13 ватт энергии как абсолютно черное тело при температуре 6200 К. Если бы протоны распадались слишком быстро, выделяемое тепло расплавило бы твердое внутреннее ядро. Поскольку ядро остается твердым, время жизни протона должно превышать 2 × 10^18 лет.
Дополнительные доказательства были получены при изучении самого холодного известного пульсара PSR J2144–3933. Этот нейтронный объект имеет температуру менее 42 000 К (измерено космическим телескопом Хаббл), возраст около 0,3 миллиарда лет и массу примерно 1,4 солнечных масс, содержащую приблизительно 2 × 10^56 протонов. Расчеты показывают, что время жизни протона должно превышать 1,5 × 10^18 лет.
Исследователи также рассмотрели ограничения, накладываемые космическим микроволновым фоном, которые предполагают нижний предел времени жизни в 2 × 10^17 лет. Были проанализированы сценарии «палеодетекторов», включая потенциальные эксперименты с использованием оливина с Луны. Очень низкое соотношение (2 × 10^-18) изотопов 14C/12C в природном газе указывает на нижний предел около 10^19 лет.
Давудиасл предложил интересный теоретический механизм, объясняющий возможные вариации в скорости распада протона. Он предполагает существование гипотетической силы дальнего действия, которая может влиять на массу частиц, участвующих в распаде протона. Эта сила могла бы меняться по мере того, как Солнце совершает оборот вокруг центра Млечного Пути каждые 230 миллионов лет, что приводило бы к изменению времени жизни протона в зависимости от местоположения в пространстве и времени.
Если эта гипотеза подтвердится, она может революционизировать наше понимание фундаментальных взаимодействий и стабильности материи во Вселенной, открыв новую главу в физике элементарных частиц и космологии.
