Czy fundament materii jest niezniszczalny? Nowe wyniki badań protonów

Dlaczego rozpad protonu jest tak ważny?

Protony i neutrony są podstawowymi składnikami materii. Znajdują się w wodzie, skałach, ludzkim ciele i całej planecie. Gdyby ich czas życia był porównywalny z wiekiem Wszechświata, procesy rozpadu zachodziłyby wokół nas nieustannie. Fakt, że materia pozostaje stabilna, oznacza, że jeśli proton rzeczywiście może się rozpaść, to dzieje się to niezwykle rzadko.

Ewentualne odkrycie rozpadu protonu miałoby ogromne znaczenie dla współczesnej fizyki. Oznaczałoby bowiem, że Model Standardowy, opisujący znane cząstki elementarne, nie jest kompletny. Byłby to również ważny argument na rzecz teorii wielkiej unifikacji, zakładających, że przy bardzo wysokich energiach różne oddziaływania fizyczne mogą być przejawem jednego fundamentalnego zjawiska.

Czytaj również

Pałac Buckingham: W rodzinie królewskiej zapadnie ważna decyzja

Nowe odkrycie na księżycu Saturna. Naukowcy nie kryją zaskoczenia

Karol Nawrocki podjął decyzję ws. syna. Sprawa dotyczy edukacji zdrowotnej

Komunikat dla mieszkańców Lublina

Noc Perseidów. 100 meteorów na godzinę

Drożdże z genem niesporczaka wróciły z kosmosu. Polski eksperyment może pomóc podbić Marsa

Gigantyczny detektor ukryty pod górą

Aby szukać tak rzadkich procesów, potrzebne są wyjątkowe urządzenia. Jednym z nich jest Super-Kamiokande, znajdujący się głęboko pod górą Ikeno w Japonii.

Sercem instalacji jest ogromna cylindryczna komora wypełniona 50 tysiącami ton ultraczystej wody. Jej ściany pokrywa ogromna liczba fotopowielaczy - bardzo czułych detektorów światła. Woda pełni tu podwójną rolę. Z jednej strony zawiera protony i neutrony, których rozpadu poszukują badacze. Z drugiej jest częścią aparatury pomiarowej.

Jeżeli w wodzie pojawi się naładowana cząstka poruszająca się szybciej niż światło rozchodzi się w tym ośrodku, powstaje charakterystyczny błękitny błysk zwany promieniowaniem Czerenkowa. To świetlny odpowiednik huku naddźwiękowego. Rejestrowane przez detektory ślady pozwalają naukowcom odtworzyć przebieg zdarzenia.

Co sprawdzali badacze?

W najnowszej pracy opublikowanej w czasopiśmie „Physical Review D” naukowcy analizowali dwa możliwe scenariusze.

Pierwszy zakładał rozpad protonu na neutrino i dodatni pion. Drugi - rozpad neutronu na neutrino i pion neutralny. Największym wyzwaniem jest fakt, że neutrino niemal zawsze opuszcza detektor niezauważone. Kluczową rolę odgrywają więc piony, które mogą pozostawić charakterystyczne sygnały świetlne.

Dodatkową trudność stanowią neutrina atmosferyczne powstające wskutek oddziaływania promieniowania kosmicznego z atmosferą Ziemi. Ich sygnały mogą przypominać ślady poszukiwanego rozpadu. Dlatego analiza wymaga niezwykle dokładnych symulacji komputerowych i szczegółowej kontroli wszystkich źródeł zakłóceń.

Ważny udział polskich naukowców

W międzynarodowej współpracy Super-Kamiokande uczestniczą również badacze związani z Narodowym Centrum Badań Jądrowych, Uniwersytetem Śląskim oraz Uniwersytetem Warszawskim. Naukowcy zajmują się m.in. analizą danych, tworzeniem symulacji oraz badaniem oddziaływań cząstek w materii.

Najnowsza analiza objęła niemal pół megatonoroku danych, czyli obserwacje ogromnej ilości wody prowadzone przez wiele lat.

Nie znaleziono rozpadu. To też ważny wynik

Badania nie wykazały nadmiaru zdarzeń, które można byłoby uznać za rozpad protonu lub neutronu.

W fizyce cząstek brak odkrycia również może mieć duże znaczenie. Skoro w tak ogromnym zbiorze danych nie zaobserwowano poszukiwanego procesu, oznacza to, że musi on zachodzić jeszcze rzadziej, niż wcześniej przypuszczano.

Dla rozpadu protonu na neutrino i dodatni pion wyznaczono dolną granicę czasu życia na poziomie około 350 kwintylionów lat. To około 25 tryliardów razy więcej niż wynosi wiek Wszechświata. W przypadku rozpadu neutronu na neutrino i pion neutralny uzyskana granica jest jeszcze około cztery razy wyższa.

Nie oznacza to, że pojedynczy proton będzie istnieć dokładnie tak długo. Są to statystyczne ograniczenia wynikające z obserwacji ogromnej liczby cząstek i braku wykrycia ich rozpadu.

Kolejne eksperymenty już powstają

Brak dowodów na rozpad protonu nie kończy poszukiwań. Wyniki stanowią kolejne ograniczenie dla teorii wielkiej unifikacji, które muszą uwzględniać coraz bardziej rygorystyczne dane eksperymentalne.

Następnym etapem badań będzie Hyper-Kamiokande, budowany w Japonii niedaleko obecnego detektora. Obiekt ma być jeszcze większym detektorem Czerenkowa przeznaczonym do badań neutrin i dalszego poszukiwania rozpadu protonów.

W projekcie uczestniczą polskie instytucje naukowe, w tym NCBJ, IFJ PAN, Uniwersytet Warszawski, Politechnika Warszawska, Uniwersytet Śląski, Uniwersytet Wrocławski, AGH, Uniwersytet Jagielloński i CAMK PAN.

Równolegle rozwijany jest amerykański projekt DUNE. W jego ramach wiązka neutrin będzie wytwarzana w Fermilab w stanie Illinois, a detektory zostaną umieszczone 1300 kilometrów dalej w podziemnym laboratorium Sanford Underground Research Facility w Dakocie Południowej. W przedsięwzięciu uczestniczy również Uniwersytet Warszawski.

Badania neutrin prowadzi także śródziemnomorskie laboratorium KM3NeT, które wykorzystuje rozbudowaną sieć detektorów rozmieszczonych na dnie Morza Śródziemnego. Polskę reprezentują tam zespoły z NCBJ, AGH oraz CAMK PAN.

Cierpliwe oczekiwanie na odpowiedź

W przeciwieństwie do akceleratorów cząstek tego typu eksperymenty nie tworzą sztucznie ogromnej liczby zderzeń. Ich zadaniem jest wieloletnia obserwacja i poszukiwanie niezwykle rzadkich sygnałów.

Woda ukryta pod górą, ciekły argon w podziemnych komorach czy detektory rozmieszczone na dnie Morza Śródziemnego mają wychwycić ślady procesów, które mogą zachodzić raz na niewyobrażalnie długi czas.

Super-Kamiokande nie zaobserwował jeszcze rozpadu protonu. Jednak właśnie ten brak sygnału dostarczył naukowcom kolejnych cennych informacji o granicach obowiązujących teorii i naturze materii.