Почему материя не рассыпалась за миллиарды лет? Разгадка может крыться в протонах.
Вселенная кажется вечной — или почти вечной. Примерно 14 миллиардов лет звезды рождаются и умирают, галактики вращаются, а материя величественно двигается по просторам космоса. На первый взгляд в этом нет ничего удивительного — пока не осознаешь, что такая стабильность требует, чтобы обычная материя не распадалась.
А это необычно. Распад — явление повсеместное. Спросите любого домовладельца: кажется, что буквально через минуты после получения ключей от дома вы попадаете в бесконечный цикл ремонта того, что ломается. Даже радиоактивные материалы со временем распадаются. Так что же сохраняет материю Вселенной стабильной на протяжении космических масштабов времени? Ученые не знают ответа на этот вопрос и построили сверхчувствительные детекторы для поиска распада протонов. И пока распад протонов не наблюдался ни разу, что явно противоречит естественному порядку вещей.
Чтобы понять, почему протоны могут быть стабильными, нам нужно разобраться, из чего состоит материя. Базовая химия говорит нам, что материя состоит из атомов, но сами атомы состоят из еще более мелких компонентов: протонов, нейтронов и электронов. И, как оказалось, протоны и нейтроны состоят из ещё более мелких объектов, называемых кварками (о них поговорим позже).
На уровне атомной и ядерной материи важно то, что протоны, нейтроны и электроны стабильны. Это строго верно для протонов и электронов, но не для нейтронов. Хотя нейтроны, находящиеся внутри атомного ядра, могут жить вечно, это не относится к изолированным нейтронам. Если бы вы смогли извлечь нейтрон из центра атома и поместить его в пустую колбу, нейтрон распался бы менее чем за пятнадцать минут, что намного меньше 14-миллиардного возраста Вселенной.
Законы сохранения
Протоны и электроны защищены от распада комбинацией так называемых “законов сохранения”. Термин “закон сохранения” просто означает, что существует свойство, которое никогда не меняется, что бы ни происходило.
Мы можем проиллюстрировать это понятие на примере обычного конструктора Лего. Представьте, что у вашего ребёнка есть набор из 10 000 деталей Лего. Как знает любой родитель, дети могут создать из Лего бесчисленное множество вещей: здание, мост или, если ребенок достаточно артистичен, статую утки. Ребёнок может использовать в своём творении часть деталей или все; однако, что бы он ни создал, неизменным остаётся то, что у него по-прежнему 10 000 деталей. Количество деталей сохраняется.
Для частиц, таких как протоны, нейтроны и электроны, несколько сохраняющихся свойств определяют, стабильны ли частицы или нет. Это энергия, электрический заряд и более загадочные барионное и лептонное числа.
Энергия — это мера движения, как у брошенного мяча, или потенциала, как у сжатой пружины. Однако из-за самого известного уравнения Эйнштейна E = mc², это также мера массы. Действительно, для изолированной и неподвижной частицы масса частицы — это вся её энергия. В контексте распада частиц сохранение энергии означает, что субатомная частица может распадаться на более легкую частицу, но не наоборот.
Если тяжелая частица распадается на легкую, количество энергии, хранящейся в массе, уменьшается; однако оставшаяся энергия может заставить дочернюю частицу двигаться. При таком сценарии общее количество энергии после распада не меняется. Напротив, если бы более лёгкая частица распалась на более тяжёлую, после распада было бы больше массы – и, следовательно, больше энергии – чем до него. Это изменило бы количество энергии, что нарушило бы принцип сохранения энергии.
Электрический заряд — еще одна сохраняющаяся величина. Протон имеет электрический заряд +1. Если протон распадается, сумма электрических зарядов всех продуктов распада также должна равняться +1. Электрон, масса которого составляет около 0,05% от массы протона, имеет заряд -1. А позитрон, который является антиматериальным двойником электрона (и имеет такую же массу), имеет заряд +1.
Таким образом, с точки зрения сохранения энергии и заряда, протон (тяжелый, заряд +1) мог бы распасться на позитрон (очень легкий, заряд +1) и фотон (очень легкий, заряд 0); однако такой распад не наблюдается. Причина кроется в последних из соответствующих сохраняющихся величин: лептонном числе и барионном числе. Частицы, подобные протону и нейтрону, являются барионами. Они тяжёлые и содержат три кварка. Частицы, подобные электрону, являются лептонами. Они лёгкие и не содержат кварков.
Все барионы имеют барионное число B = +1, а все лептоны имеют лептонное число L = +1. Антиматериальные версии частиц имеют противоположное лептонное или барионное число. А некоторые частицы, которые не являются ни лептонами, ни барионами, имеют и лептонное, и барионное число, равное нулю.
Это объясняет, как нейтрон (заряд 0, масса 939,6 МэВ, барионное число +1, лептонное число 0) может распасться на протон (заряд +1, масса 938,3 МэВ, барионное число +1, лептонное число 0), электрон (заряд -1, масса 0,511 МэВ, барионное число 0, лептонное число +1) и частицу, называемую антинейтрино электронное (заряд 0, масса 0 МэВ, барионное число 0, лептонное число -1). Если проверить каждую сохраняющуюся величину, всё сходится.
Протон — это просто самый лёгкий известный барион. Из-за закона сохранения энергии, чтобы он распался на более легкую частицу, должен существовать более лёгкий барион. Поскольку такового нет, протон стабилен. Что касается электрона, существуют лептоны легче электрона (нейтрино), но нет более легких заряженных частиц. Отсутствие любой комбинации частиц, которая одновременно подчинялась бы всем законам сохранения, является барьером для распада электрона.
Вечны ли протоны?
Так означает ли это, что протоны и электроны вечны? Будут ли они существовать вечно? Это экспериментальный вопрос, а не теоретический. Безусловно, можно представить себе некую теорию, управляющую материей, которая нарушает законы сохранения и допускает распад протонов; однако ученые построили огромные детекторы массой в десятки тысяч тонн для поиска распада протонов, и не обнаружили ничего. Эти эксперименты установили минимальное время жизни протонов, и оно составляет около 2 × 10³⁴ лет, или примерно в триллион триллионов раз больше возраста Вселенной. Если протоны и распадаются, существуют они очень, очень долго.
Тем не менее, ученые продолжают искать распад протонов в экспериментах, построенных для других целей. Если распад протонов когда-либо будет обнаружен, это расскажет нам что-то новое и важное о законах природы. Глубокий подземный нейтринный эксперимент – Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) — это масштабный эксперимент, создаваемый для изучения поведения субатомной частицы, называемой нейтрино. Хотя его основная цель — изучение нейтрино, учёные также будут использовать детектор и для поиска его распада. DUNE в настоящее время строится и, как ожидается, начнет работу к концу десятилетия.
Читайте также: Физики создали новую картину атомного ядра, включающую глюоны и кварки
Комментировать можно ниже в разделе “Добавить комментарий”.