質子的生命，是有限的嗎？

有一天，我們的生命會走到盡頭，我們生活的這顆藍色星球也將變得不再適合居住，甚至連太陽、銀河系也終將毀滅。那些我們曾認為是永恆的存在，都有著各自的生命周期。但對於構成萬物的粒子——質子而言，生命是否也是有限的？

1919年，當盧瑟福宣布發現質子時，人們唯一知道的物質的基本組成粒子只有電子。

當時，物理學家對質子的認識是，質子不可能在不違反電荷守恆的情況下發生衰變。十年後，赫爾曼·威爾（Hermann Weyl）為了解釋物質的穩定性，提出了重子數守恆原理。於1932年發現的中子和質子都屬於重子，它們的重子數為+1，它們的反粒子的重子數為-1，電子的重子數則為0。舉個例子，中子可以衰變為一個質子、一個電子和一個反中微子，在這個過程中總重子數是不變的。

○ 在原子核中的中子是非常穩定的，但自由中子在大約15分鐘後就會發生衰變，衰變前後的重子數都為+1。目前，我們還沒有發現質子會衰變的證據。那麼，電子呢？根據能量守恆和電荷守恆，電子可能永遠是穩定存在的：就目前所知，沒有帶負電荷的低質量粒子存在。

如果重子數是一個絕對守恆的量子數，那麼質子作為最輕的一個重子，它將是絕對穩定的。即使在發現正電子（電子的反物質版本）、正μ介子和π介子這些比質子都輕的粒子之後，仍然沒有發現任何可以懷疑質子的穩定性的理由。

物理學家Maurice Goldhaber曾說過，如果質子的壽命小於10¹⁶年，那麼我們應該能從骨頭裡感受到它們，因為我們的身體將會具有致命的放射性。10¹⁶即1後面跟著16個0，作為比較，宇宙的年齡只有138億年，大約是1的後面跟著10個0。

1954年，Goldhaber對他先前的估測進行了改進。他認為如果失去一個核子將會使原子核處於激發態，從而有可能導致裂變，他用²³²Th來計算束縛的核子的壽命，得到的結果為大於10²⁰年。隨後，Georgy Flerov很快將這個數字擴展為大於3×10²³年。

Goldhaber還與Fred Reines和Clyde Cowan合作，測試了直接觀測到質子衰變的可能性。他們的實驗包含了一個500升的熒光液體，液體的周圍環繞著90個光電倍增管（PMT），這套設備本來是設計來檢測反應堆中微子的。但他們沒有發現任何信號，這就表明自由質子（指那些沒有被束縛在原子核內的質子）的壽命一定比10²¹年更長，而束縛核子的壽命則必須大於10²²年。到了1974年，在一項用20噸熒光液體進行的宇宙射線實驗中，Reines和他的其他同事將質子的壽命推到了10³⁰年以上。

與此同時，在1966年，Andrei Sakharov提出了一些可以觀測到宇宙中的粒子-反粒子不對稱性的條件（這種不對稱性是現代宇宙的一個重要組成部分，也是行星、恆星和星系等結構形成的主要驅動力）。其中之一就是重子數守恆只是近似的，而且是可以在早期宇宙的膨脹階段被違反的（另外兩個條件是偏離熱平衡，以及存在破壞C對稱和CP對稱的相互作用）。能違反重子數守恆的相互作用可以使質子發生衰變，但由Sakharov提出的質子壽命可能大於10⁵⁰年，這樣的結果多少會讓實驗物理學家有點心灰意冷。

但到了1974年前後，事情開始有了轉折。當時，物理學家提出了大統一理論（GUT），它不僅是要統一強核力、弱核力、電磁力（沒有包括引力是因為我們還沒有發展出一個引力的量子理論），而且還要把夸克和輕子緊密地聯繫在一起。GUT允許重子數不守恆。尤其是Howard Georgi和Sheldon Glashow的最小SU(5)模型預測了，在10^31±1年的時間區間內，質子會衰變成正電子和中性π介子（p → e⁺π⁰），這與可以觀測到的下限10³⁰年相差並不遠。

○ 質子（proton）衰變成正電子（positron）和中性π介子（π?），π?會立即衰變成兩個光子（gamma）。| 圖片來源：[2]

看到這裡，你肯定早有疑問，宇宙的年齡才138億年，而質子的壽命卻高達10³⁰年，那麼在我們有生之年怎麼可能測量的到質子的衰變呢？事實上，我們沒有必要等待一個特定、選定的質子發生衰變。10³⁰年的估算代表的質子的半衰期：任何物質樣本中有一半的質子都有可能衰變的時間。所以，尋找質子衰變的關鍵就在於需要聚集大量的質子，這就會增加我們探測到質子衰變的幾率。

Howard和Sheldon的模型使實驗物理學家有了繼續尋找的動力。到了1981年，7個這樣的實驗被安裝在地下深處，它們要麼使用完全活躍的切倫科夫水探測器，要麼使用取樣測熱計來監測大量的質子。IMB探測器和超級神岡中微子探測實驗都是尋找質子衰變的重要實驗。但這些實驗將質子壽命的下限提高到了10³²年，降低了最小SU(5)大統一規範理論的可行性。

在1987年，IMB和神岡探測器二代因探測到了來自超新星SN1987a釋放的中微子而名聲大噪。神岡探測器二代早已經在研究太陽中微子和大氣中微子，但它的繼任者——超級神岡探測器對大氣和太陽中微子振蕩進行了開創性的觀測。目前，超級神岡對質子衰變成e⁺π⁰的時間設置了最高下限：1.6×?10³⁴年。

○ DUNE的目標之一是尋找質子的衰變跡象，這或許可以揭示物質的穩定性和大統一力之間的關係。| 圖片來源：DUNE

現在，大統一理論的理論發展仍在繼續，一些理論模型已將質子的壽命提高到10³⁶年左右。未來的大型實驗，比如DUNE、Hyper-K和JUNO，都把尋找質子衰變當成目標之一，有可能將質子的壽命提高到10³⁵年。質子會發生衰變嗎？或者說我們有可能回答這個問題嗎？我們希望未來的這些實驗至少能夠給我們帶來一絲線索。

參考來源：

[1] https://cerncourier.com/the-pursuit-of-proton-decay/

[2] http://www-sk.icrr.u-tokyo.ac.jp/sk/sk/pdecay-e.html

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