Куда течет река времени

В разделе «Великое объединение» мы узнали, что существуют частицы — переносчики универсальной силы (X- и Y-частицы), обмен которыми ведет к нарушению закона сохранения барионного числа, и кварки при этом могут исчезать, превращаясь в лептоны. Правда, эти X- и Y-частицы могут рождаться только при очень больших энергиях, недостижимых ни в каких реальных процессах в сегодняшней Вселенной. Однако X- и Y-частицы могут, хотя и на очень короткий промежуток времени, рождаться в виртуальных процессах. На рис. 12 показана схема превращения, которое может произойти в протоне, состоящем из двух u-кварков и одного d-кварка из-за рождения виртуального Х-бозона. Два u-кварка с помощью виртуального Х-бозона превращаются в антилептон (позитрон) и антикварк d. Этот антикварк объединяется вместе с d-кварком в систему ⁰-мезон. Последняя частица затем распадается на световые кванты.

Таким образом, в результате этого процесса протон превратился в позитрон и световые кванты. Но ни позитрон, ни световые кванты не обладают барионным числом. Барионное число исчезло, протон распался! «Защелкой», мешающей произойти энергетически выгодному процессу, здесь являлась очень большая масса Х-бозона. Но эта «защелка» не абсолютно надежна. Иногда она «ломается», и происходит распад.

К счастью, такие распады протона чрезвычайно редки, иначе бы все вещество Вселенной давно бы распалось. Редкость данного процесса обусловлена тем, что очень мала вероятность обмена внутри протона сверхтяжелым виртуальным бозоном. В простейших вариантах теории Великого объединения среднее время жизни протона оценивалось в десять тысяч миллиардов миллиардов миллиардов лет! Но существуют варианты теории, которые приводят к продолжительности жизни протона в тысячу раз большей. Это фантастически большие сроки. Напомним, что с момента начала расширения Вселенной до наших дней прошло «всего» около десяти миллиардов лет.

рис.12

Можно ли каким-либо способом зарегистрировать этот редчайший процесс и тем самым подтвердить правильность теории? Да, в принципе можно. Для этого надо взять очень много протонов. Вероятность распада каждого из них очень мала, но хотя бы один протон из большой совокупности распадается за приемлемое для наблюдения время. Так, если взять 10 тонн вещества, то при указанном выше времени жизни протона (десять тысяч миллиардов миллиардов миллиардов лет) за год хоть один из них да распадется.

Если бы удалось зарегистрировать такой распад, то это было бы прямым подтверждением теории Великого объединения. Конечно, зарегистрировать распад единичного протона из такой большой массы очень трудно. Эксперименты по поискам распада протона были начаты в 1979–1980 годах. Суть их заключалась в следующем. Берется большое количество какого-либо вещества, скажем, несколько тысяч тонн воды или железа. Это вещество вместе со специальными счетчиками, которые могут регистрировать частицы — продукты распада протона, — помещают под толщей грунта (например, в тоннеле под горным массивом или в глубокой шахте). Это делается для того, чтобы защитить всю установку от действия космических лучей, создающих помехи в ее работе.

Одна из первых попыток найти распад протона была осуществлена на Баксанской подземной лаборатории Института ядерных исследований АН СССР на Кавказе. Затем были проведены наблюдения на еще более массивных установках. К настоящему времени достоверных случаев распада протона зарегистрировано не было. Это означает, что время жизни протона больше, чем было оценено в простейших вариантах теории, и должно превышать сто тысяч миллиардов миллиардов миллиардов лет. Сейчас обсуждаются проекты и строятся детекторы с массой, превышающей десятки тысяч тонн.

Подчеркнем, что описанному выше распаду за счет рождения виртуальных X- и Y-бозонов подвержены не только протоны, но также и нейтроны в стабильных атомных ядрах. Такие распады нейтронов должны происходить столь же редко, как и протонов.

Приведем еще следующий любопытный факт. Впервые нижний возможный предел жизни протона был оценен физиком Гольдхабером, который использовал в качестве массы детектора… человеческое тело, а в качестве счетчиков — здоровье человека! Он рассуждал следующим образом, Распад протонов (и нейтронов в стабильных ядрах) в теле человека порождает процессы, аналогичные радиационным, разрушающим кости.

Известно, что за время человеческой жизни (около 70 лет) эти процессы, если они и есть, то совершенно незаметны, чтобы повлиять на наше здоровье. Отсюда можно оценить максимальную дозу излучения, которую мы получаем в течение жизни из-за распада протонов, а значит, и количество распавшихся протонов за 70 лет. Зная это число, уже легко рассчитать минимально возможное время жизни протона. Оказывается, что протон должен жить в среднем не менее десяти миллионов миллиардов лет. Конечно, эта оценка много грубее приведенных выше, но зато она и получена совершенно элементарным путем.