Протон нестабилен? Учёные обнаружили возможный третий путь его распада

Протон — одна из самых стабильных частиц во Вселенной. Однако уже почти полвека физики задаются вопросом: а может ли он всё-таки распадаться? В рамках так называемых великих объединённых теорий (GUT), разработанных в 1970-х и 1980-х, предполагалось, что распад возможен. Эксперименты пока не обнаружили ни одного случая, но и не исключили саму возможность: нижняя граница средней продолжительности жизни протона составляет около 10³⁴ лет — это на 20 порядков больше возраста самой Вселенной.

Но что, если эта стабильность — не универсальная константа? Два физика из Брукхейвенской национальной лаборатории в США, Питер Дентон и Хуман Давудиасл, решили взглянуть на вопрос иначе: а может ли протон распадаться быстрее — в других частях космоса или в прошлом? В своей работе, недавно опубликованной в журнале Physical Review D, они предполагают, что распад действительно возможен, если учитывать альтернативные сценарии, где конечными продуктами распада становятся не только известные частицы, но и гипотетические — например, частицы тёмной материи.

В классических GUT-прогнозах протон может распасться двумя основными путями: в нейтральный пи-мезон и позитрон или в положительный пи-мезон и нейтрино. Но авторы рассмотрели третий путь — с участием положительного пи-мезона и "тёмного фермиона", частицы, связанной с тёмной материей. Если такая частица существует и её масса меньше массы протона за вычетом массы пи-мезона, распад может идти быстрее, чем показывают лабораторные данные. Например, быстрее, чем позволяет лимит, установленный японским детектором Super-Kamiokande.

Чтобы оценить возможную скорость такого распада, учёные рассмотрели два объекта: железное ядро Земли и нейтронную звезду. Если протоны распадаются, выделяя тепло, то это должно было бы повлиять на состояние ядра нашей планеты. Сейчас известно, что внутреннее ядро Земли находится в твёрдом состоянии, и, по оценкам геологов, это продолжается от 0,7 до 4,2 миллиардов лет. По расчётам авторов, если бы распад протонов происходил со скоростью, при которой выделялось бы в четыре раза больше тепла, чем наблюдается сейчас (около 10¹³ ватт), ядро не могло бы оставаться твёрдым. Это ставит нижнюю границу времени жизни протона на уровне 2 × 10¹⁸ лет.

Второй объект — пульсар PSR J2144–3933, самая холодная известная нейтронная звезда с температурой менее 42 000 K и возрастом около 300 миллионов лет. Зная её массу (примерно 1,4 массы Солнца) и предполагая, что протоны составляют около 10% её барионного состава, можно оценить, сколько тепла выделялось бы при распаде протонов. Оказалось, что и в этом случае расчёты дают нижнюю границу жизни протона около 1,5 × 10¹⁸ лет, что хорошо согласуется с оценкой для земного ядра.

Авторы рассмотрели и другие источники возможных ограничений. Например, данные по космическому микроволновому фону и распадам тёмной материи дают ещё одну границу — около 2 × 10¹⁷ лет. Они также изучили экзотические "палеодетекторные" методы, когда следы распада протонов ищутся в минералах вроде оливина, которые могли бы быть доставлены с Луны и пролежать несколько миллиардов лет на глубине. Подобные исследования могли бы определить, сколько протонов распалось за всё это время.

Ещё одно косвенное подтверждение стабильности протонов пришло из анализа природного газа: в нём измерено крайне малое соотношение изотопов углерода ^14C и ^12C — около 2 × 10⁻¹⁸. Если бы протоны часто распадались, они были бы дополнительным источником ^14C, а этого не наблюдается. Так появился ещё один лимит — около 10¹⁹ лет.

Интересен и теоретический аспект: Давудиасл предполагает, что если существует гипотетическая дальнодействующая сила, способная влиять на массу частицы, в которую распадается протон, то в определённые моменты времени или в разных уголках Вселенной протон может становиться менее стабильным. Например, когда Солнечная система перемещается в пределах галактики, проходя через области с другим распределением таких сил, это может менять вероятность распада. Таким образом, стабильность протона — возможно, не вечная и не универсальная, а зависящая от космического контекста.