Сколько тебе жить, протон?

foto_history — 02.09.2021

 Мы сидим на крохотном островке стабильности и с душевным трепетом взираем на физиков, которые вот-вот готовы и протон объявить частицей неустойчивой.  Стабильность электрона легко объяснить. Он имеет минимально возможный заряд (если не принимать в расчет кварки, эти получастицы, полуфантомы!).

Все частицы меньшей массы (обычно при ядерных развалах тяжелое распадается на более легкие части), те, на которые электрон мог бы распасться (фотон, нейтрино), — нейтральны. Получается, что электрону просто не на что «распасться». Тут вступает в действие закон сохранения электрического заряда: заряд не может исчезать или возникать.

С протоном дело сложнее.  Он мог бы передать свой единичный положительный заряд, скажем, более легкому позитрону, тоже положительно заряженному.  Прежде эту возможность теоретики игнорировали, так как адроны (протон среди них) и лептоны (электрон, позитрон) были разделены, казалось бы, непроницаемой стеной. Однако в рамках «великого объединения» различие между этими частицами исчезает.

Здесь кварки, которые раньше можно было отличить по их способности к сильным взаимодействиям, могли бы запросто превращаться в лептоны, прежде считавшиеся частицами совсем другой природы, участвующие только в электрослабых взаимодействиях. Как следствие этого, состоящий из трех кварков протон теперь мог бы превратиться в лептон и мезон. Например, по такой схеме: р- + е+ + ?° (протон распадается на позитрон и нейтральный пи-мезон). 

Теперь вопрос — как быстро должно идти это превращение? Скорее всего со скоростями черепашьими. Ведь масса данных, начиная с солидного возраста земного шара, говорит о том, что окружающее нас вещество вроде бы вовсе не исчезает.  Слоны и вороны, говорят, живут сотни лет, американские секвойи тысячи.

А сколько лет способен прожить протон? Если срок его жизни окажется очень большим, то с чем его сравнивать? Может быть, со временем жизни нашей Вселенной? (Да она тоже невечна, и в принципе имело бы смысл отмечать дни, нет, миллиардолетия со дня ее рождения!)  Возраст Вселенной установлен довольно точно — 1010, или, в обычной записи, 10 миллиардов лет.

Число катастрофически громадное; и все-таки протон должен жить дольше, что нетрудно доказать.  Мы, как выразился один физик, «знаем своими костями», что среднее время жизни протона больше, чем, ну скажем, 1016 лет. В самом деле, если бы оно было заметно меньше, то 1028 протонов, образующих тело взрослого человека, распадались бы со средней скоростью, превышающей 1012 протонов в год, или около 30 тысяч распадов за секунду.

Человек стал бы радиоактивным! И сам представлял бы угрозу для своего здоровья.  Различные теоретические соображения и эксперименты (о них еще пойдет речь) свидетельствуют: время жизни протона больше 1030 лет. Умопомрачительная величина! Откуда она взялась?

Физики в состоянии дать отчет.  Протон, считается, состоит из трех кварков. В среднем они находятся друг от друга на значительной дистанции, расстояниях порядка радиуса протона. Эти размеры крошечны для нас, людей, но грандиозны, чтобы на них могли проявить себя «сильно-электромагнито-слабые» («великое объединение» сил) взаимодействия.

Протон, возможно, способен превратиться в позитрон, но только при том условии, что один из его кварков станет лептоном. И вот для этого-то кварки и должны сблизиться на расстояния в миллиарды миллиардов раз меньшие, чем размер протона.  Понятно, что вероятность такого сближения крайне мала, а значит, шанс за то, что протон не развалится у нас на глазах, должен быть велик. Так и возникают числа большие, чем 1030.

И еще одно замечание-разъяснение. Не надо думать, что если время жизни протона или электрона (пока электрон считается вечным) превышает возраст Вселенной (на 20 порядков!), то эти частицы существовали и тогда, когда Вселенной еще не было и в помине. Нет, протоны и электроны появились вместе со Вселенной. И число 1030 означает лишь ту «веху» жизни Вселенной, когда большинство протонов мира развалится.

Ю.Чирков. Охота за кварками

Оставить комментарий

Популярные посты:

• Ранее
• Архив