Rozpad protonu

Dlaczego neutrony umierają młodo, a protony są wieczne?

Wyjęty z jądra atomowego neutron rozpada się w niecały kwadrans. Nigdy natomiast nie byliśmy świadkami rozpadu choćby jednego protonu.

Rzeczy zasadniczo lubią się rozpadać. Dotyczy to skał, materii organicznej, starych Passatów, związków chemicznych, a nawet jąder atomów. Jednak jeśli chodzi już o cząstki budujące jądra atomów, sprawa staje się bardziej zagadkowa. O ile pozostawiony sam sobie neutron ulega rozkładowi, a jego średni czas życia wynosi 879-888 sekund, o tyle dla protonu okres rozpadu formalnie jest nie krótszy niż… ~1034 lat. To kwadrylion razy więcej niż obecny wiek wszechświata.

Mamy więc dwie całkiem podobne cząstki – dwa pospolite, współtworzące otaczającą nas materię bariony – przy czym jedna, po wyjęciu poza atom[1], ginie w przeciągu kilkunastu minut, a druga okazuje się jedną z najstabilniejszych struktur we wszechświecie. Skąd ta różnica? I przede wszystkim, dlaczego ten niepozorny proton jest, technicznie rzecz biorąc, nieśmiertelny?

Krótka ściągawka. Cząstki o bogatym kwarkowym życiu wewnętrznym dzielimy na złożone z trzech kwarków bariony oraz zbudowane z par kwark-antykwark mezony. Poza protonami i neutronami, właściwie wszystkie hadrony są bardzo nietrwałe i giną w ułamku sekundy.

Zacznijmy od kwestii pomiaru, bo jestem pewny, że liczba z trzydziestoma czterema zerami mogła wzbudzić pewną podejrzliwość. W końcu, w jaki sposób ktoś zdołał wyliczyć, że czas życia protonu wynosi 1034 lat, skoro sam wszechświat istnieje znacznie, znacznie krócej – od zaledwie 1,38 × 1010 lat?

Rzecz jasna, to nie jest tak, że chwytamy w szczypce cząstkę, wsadzamy ją pod mikroskop i ze stoperem w ręku czekamy, aż coś się wydarzy. Pomijając trudności techniczne, wcale nie dałoby nam to wartościowej odpowiedzi. Cząstki subatomowe są obiektami kwantowymi, a dotyczące ich zjawiska zawsze zawierają szczyptę losowości. Kiedy piszę, że czas trwania neutronu wynosi 15 minut, nie oznacza to wcale, że mija kwadrans – puff – i każdy badany neutron znika w zasłonie dymu. To wartość średnia. Jeden neutron zginie po sekundzie, inny po dobie – ale przeprowadzając pomiar na bardzo dużej liczbie neutronów, otrzymamy uśredniony wynik na poziomie niecałych 15 minut.

Problem z neutronem

Nie wiem, czy zwróciliście uwagę, ale na początku tekstu stwierdziłem, że przeciętny czas trwania neutronu wynosi 879-888 sekund. To dlatego, że zależnie od rodzaju testu, z jakiegoś powodu zawsze otrzymujemy odmienne rezultaty. Powtarzając za Hartmutem Abelem z Politechniki Wiedeńskiej: “próbujemy albo zatrzymać neutrony i po pewnej chwili policzyć ile ich zostało, albo szukamy produktów rozpadu i liczymy, ile ich nastąpiło”. Kłopot w tym, że pierwsza metoda daje średni wynik 879, a druga 888 sekund. Niektórzy fizycy uważają, że rozbieżność świadczy o istnieniu dodatkowego, nieznanego kanału rozpadu neutronu.

Z tego samego powodu, żeby ustalić czas trwania danej cząstki, na szczęście wcale nie musimy monitorować jej przez tysiąc, milion lub miliard lat. Wystarczy zgromadzić próbkę zawierającą np. sto tysięcy drobin i sprawdzić, ile z tej liczby wyparuje po roku. Jeżeli przy stu tysiącach cząstek w ciągu jednego roku odnotujemy 100 rozpadów, to statystyczny czas życia cząstki wynosi około tysiąca lat, a jeżeli 1000 rozpadów, to jakieś sto lat. I tak dalej.

Największym eksperymentem wykorzystanym do oszacowania stabilności protonów, pozostaje japoński Super-Kamiokande. Sercem przedsięwzięcia jest podziemny walcowaty basen wypełniony 50 tysiącami ton czystej wody. Zbiornik otacza 11 tysięcy fotopowielaczy, zdolnych do wychwycenia nawet najdrobniejszej aktywności fizycznej. Obecnie superczuły detektor służy przede wszystkim do polowań na kosmiczne neutrina (to tam uzyskano pierwsze dowody świadczące o oscylacji neutrin, co zostało nagrodzone Noblem w 2015 roku), jednak początkowo wykorzystywano go właśnie do badań protonów.

Umieszczony kilometr pod ziemią basen, należący do uruchomionego w 1996 roku kompleksu Super-Kamiokande.

50 tysięcy ton wody zawierało w sobie w przybliżeniu 1034 protonów (po jednym w każdym jądrze wodoru)[2]. Rok obserwacji nie przyniósł jednak detekcji choćby jednego zdarzenia mogącego świadczyć o rozpadzie cząstki. Dlatego przyjmuje się, że średni czas życia protonu wynosi minimum 1034 lat. Minimum, ponieważ mówimy tylko o tym, co udało się przetestować, podczas gdy rzeczywisty wynik może być wyższy. Znacznie wyższy.

Tylko dlaczego? Dlaczego stosunkowo masywny barion, ani myśli się rozpadać?

Najprostsza odpowiedź brzmi: cząstki ulegają rozpadowi wtedy, kiedy mają się na co rozpaść. Musi istnieć odpowiedni kanał rozpadu, w którym z jednego obiektu wyskoczą dwa lub więcej mniejszych, przy zachowaniu wszelkich wielkości fizycznych. To bardzo ważne. Podobnie jak w matematyce, w przemianach fizycznych, po obu stronach równania wszystko musi się zgadzać.

Spójrzmy raz jeszcze na neutron. Nie tylko może, ale wręcz powinien on podlegać rozkładowi, ponieważ nie jest najlżejszym i optymalnym energetycznie rodzajem barionu. Masa neutronu wynosi 939,6 MeV, podczas gdy protonu 938,3 MeV. Różnica wynosi ułamek procenta, ale dla cząstki subatomowej to wystarczająca przestrzeń, aby próbowała “zrzucić balast”. (Jednocześnie różnica jest na tyle drobna, że goły neutron i tak pozostaje relatywnie trwały. 15 minut to może niewiele dla nas, ale sporo, jak na standardy mikroświata, gdzie wiele cząstek ginie w ciągu miliardowych części sekundy). W ten sposób dochodzi do reakcji beta minus, w trakcie której neutron transformuje w proton, emitując przy okazji elektron i antyneutrino.

Rozpad beta minus
Neutron może przeistoczyć się w odrobinę lżejszy proton (przez przemianę jednego z kwarków). W ramach reakcji powstaje również elektron, który zabiera ze sobą nadmiar masy i ładunek elektryczny, a także antyneutrino, dla zachowania liczby leptonowej. W procesie pośredniczy słabe oddziaływanie jądrowe, reprezentowane przez bozon W.

Proton nie dokonuje podobnej sztuczki i nie przechodzi przemiany w jeszcze lżejszy i jeszcze stabilniejszy barion, ponieważ… taki nie istnieje. Najwyraźniej, jeżeli chodzi o formy trójkwarkowe, wszechświat nie wymyślił niczego lepszego.

No dobrze, ale czy proton nie mógłby ulec rozpadowi na inne typy cząstek? Cóż, nie przeistoczy się samorzutnie w masywniejszy neutron, bo zabraknie mu energii. Nie rozsypie się w deszcz fotonów lub neutrin, bo pogwałciłoby to zasadę zachowania ładunku elektrycznego. Na dodatek model standardowy rzuca nam pod nogi kolejną kłodę, nazwaną przez naukowców liczbą barionową.

To jedna z mniej oczywistych wielkości fizycznych, która – jak wskazują dotychczasowe doświadczenia – również powinna być zachowywana podczas reakcji. Jeżeli jeden barion ginie, inny zajmuje jego miejsce. Z tego też powodu, neutron nie może przejść przemiany, nie pozostawiając po sobie protonu. Prawa fizyki zdają się dbać o to, aby liczba trójkwarkowców w przyrodzie pozostawała stała.

Liczba barionowa
Liczba barionowa wydaje się związana z właściwościami kwarków. Nie posiadają jej więc leptony, fotony, higsony, ale również mezony, ponieważ tworzą je pary kwark-antykwark, które wzajemnie się znoszą. Jeżeli wartość ta ma zostać zachowana, ginący barion musi pozostawiać po sobie inny barion.

Mimo wszystko całkiem spore grono teoretyków wciąż podejrzewa, że ta reguła nie jest aż tak restrykcyjna, jak obecnie się wydaje. Właściwie niemal każda propozycja rozszerzenia modelu standardowego, zakłada, że liczba barionowa musi skrywać jakąś czekającą na odkrycie lukę. Przykładowo teoria wielkiej unifikacji (GUT) zawiera symetrie dopuszczające powiązanie liczby barionowej z inną liczbą kwantową, znaną jako liczba leptonowa[3]. (Leptony to osobna rodzina cząstek, do których należą elektrony i neutrina wraz z kuzynostwem. I podobnie do barionów posiadają one swoje ograniczenia).

W takim przypadku proton (liczba barionowa +1) miałby prawo rozpadać się, nie zostawiając po sobie innego barionu, o ile w ramach reakcji powstanie jakiś antylepton (liczba leptonowa -1). Hipotetycznie możliwy byłby zatem rozpad protonu np. na mezon pi (złożony z pary kwark-antykwark, więc posiadający liczbę barionową = 0) i pozyton (antycząstka elektronu o liczbie leptonowej = -1). Niestety, chociaż powyższy model został opisany przez Howarda Georgiego i Sheldona Glashowa całe pół wieku temu, jak dotąd ani Super-Kamiokande, ani żaden inny eksperyment nie ujawnił śladów tego typu reakcji.

Rozpad protonu
Zgodnie z postulatami teorii wielkiej unifikacji oraz supersymetrii, proton ma niewielką szansę rozpadu na mezon pi (pion0) oraz pozyton. Byłoby to jednak równoznaczne z naruszeniem liczby barionowej.

W ten oto sposób przeszliśmy od niewinnego pytania o stabilność protonu, do fundamentalnych rozważań na temat poprawności modelu standardowego i wielkich poszukiwań zunifikowanej teorii pola. Kto by pomyślał, że pospolita cząstka obecna w jądrze każdego atomu we wszechświecie, może narobić tylu kłopotów?

[+]
Total
0
Shares
Zobacz też
Czytaj dalej

O co chodzi z tym całym EmDrive?

Od kilku lat, regularnie pojawiają się wieści o nowatorskim napędzie, który zrewolucjonizuje eksplorację kosmosu. Co najlepsze – choć wszystko wskazuje, że EmDrive działa – wciąż nie jesteśmy pewni w jaki sposób.