Существует ли возможность распада протона в других частях Вселенной: новое исследование
В 1970–1980-х годах теории Великого объединения (GUT) предсказывали возможность нестабильности протона и его распада со временем. Однако экспериментальные данные не подтвердили это предсказание, установив вместо этого чрезвычайно высокие нижние пределы времени жизни протона — порядка 10³⁴ лет, что на двадцать порядков превышает возраст Вселенной.
Несмотря на это, физики продолжают исследовать возможность вариаций времени жизни протона в зависимости от условий во Вселенной. В частности, Хуман Давудиасл и Питер Дентон из Брукхейвенской национальной лаборатории выдвинули гипотезу, что протон мог распадаться быстрее в прошлом или в других регионах вселенной. Их работа, опубликованная в Physical Review D, предполагает, что в определенных сценариях время жизни протона может составлять около 10¹⁸ лет — на восемь порядков меньше, чем считалось ранее.
Альтернативные каналы распада протона
Стандартные GUT-модели допускают различные пути распада протона, включая образование пионов, электронов, мюонов, нейтрино и каонов. Однако Давудиасл и Дентон рассмотрели альтернативный сценарий, в котором протон распадается на положительный пион и темный фермион — частицу, не взаимодействующую с обычной материей. Если масса темного фермиона достаточно мала, распад протона может происходить значительно быстрее, чем предполагают земные эксперименты.
Геофизические и астрофизические ограничения
Для проверки своей гипотезы авторы исследовали два ключевых астрофизических объекта: железное ядро Земли и нейтронную звезду PSR J2144–3933.
Внутреннее ядро Земли остается твердым уже около 1–1,5 млрд лет. Если бы протоны распадались с выделением тепла, это могло бы привести к плавлению ядра. Расчеты показали, что для предотвращения расплавления время жизни протона должно превышать 2×10¹⁸ лет.
Нейтронная звезда PSR J2144–3933, возраст которой оценивается в 300 млн лет, имеет температуру менее 42 000 К. Учитывая, что протоны составляют около 10% барионной материи в нейтронной звезде, их распад должен быть достаточно медленным, чтобы не вызывать избыточного нагрева. Анализ подтвердил, что время жизни протона должно быть больше 1,5×10¹⁸ лет, что согласуется с оценками по земному ядру.
Дополнительные ограничения
Космологические данные, включая изучение реликтового излучения и свойств темной материи, накладывают дополнительное ограничение: время жизни протона должно превышать 2×10¹⁷ лет.
Исследование древних минералов, таких как лунный оливин, могло бы выявить следы распада протонов за последний миллиард лет. Анализ соотношения ¹⁴C/¹²C в природном газе также указывает на то, что распад протона не должен быть слишком быстрым, с нижним пределом около 10¹⁹ лет.
Влияние гипотетических дальнодействующих сил
Ученые предположили, что время жизни протона может меняться в зависимости от пространства и времени из-за возможного влияния неизвестных дальнодействующих сил. Например, движение Солнечной системы вокруг центра Галактики с периодом около 230 млн лет может приводить к изменению условий распада протона. Если масса частицы, на которую распадается протон, зависит от внешних полей, то в некоторых регионах Вселенной распад может происходить значительно быстрее.
Что в итоге?
Хотя земные эксперименты показывают, что протон чрезвычайно стабилен, это не исключает возможности его более быстрого распада в других условиях. Новые исследования предлагают альтернативные сценарии, в которых время жизни протона может быть на много порядков меньше, чем считалось ранее. Проверка этих гипотез требует дальнейших наблюдений за астрофизическими объектами, изучения древних минералов и разработки новых теоретических моделей, учитывающих возможную неоднородность фундаментальных констант во Вселенной.