Существует ли распад протонов и как нам его искать? Именно на это направлено недавно опубликованное на сервере препринтов arXiv исследование, в котором группа международных исследователей изучает концепцию использования образцов с Луны для поиска свидетельств распада протона, который остается гипотетическим типом распада частиц, который еще предстоит наблюдать, и который по-прежнему ускользает от внимания физиков, занимающихся изучением элементарных частиц. Это исследование потенциально может помочь разгадать одну из давних загадок всей физики, поскольку оно может позволить провести новые исследования на глубоком уровне и изучить законы природы в целом. В этой статье "Universe Today" обсуждает это исследование с доктором Патриком Стенгелем, научным сотрудником группы космологии отделения INFN в Ферраре, о мотивации исследования, важных результатах, значении поиска распада протона, последствиях для подтверждения существования распада протона и воплощения их концепции в реальность. Итак, какова мотивация, стоящая за этим исследованием?
Доктор Стенгель рассказывает Universe Today, что это исследование началось примерно в 2018 году вместе с ведущим автором, доктором Себастьяном Баумом, и другими учеными относительно использования палеодетекторов, которые являются предлагаемым методом изучения частиц, охватывающих обширные периоды геологического времени. Это привело к дискуссиям с соавтором исследования доктором Джошуа Спитцем, который заинтересовался палеодетекторами после того, как в нескольких статьях был рассмотрен их потенциал для поиска темной материи, и одним из аспирантов доктора Спитца о том, как палеодетекторы можно использовать для обнаружения существования распада протона. Однако команда ученых опубликовала исследование, в котором обсуждалось, что обнаружить распад протонов на Земле было невозможно из-за атмосферных нейтрино.
"Примерно через год после завершения работы над статьей об атмосферных нейтрино Шпиц предложил нам рассмотреть образцы минералов с Луны", - рассказывает доктор Стенгел в интервью Universe Today. "Из-за отсутствия атмосферы поток нейтрино, вызванный космическими лучами, на Луне сильно подавлен по сравнению с Землей. Соответствующее подавление нейтринных взаимодействий, вызванных космическими лучами, в палеодетекторах позволяет проводить поиск распада протона, по крайней мере, в принципе". Для проведения исследования исследователи предложили гипотетическую концепцию использования палеодетекторов, которая предполагала бы сбор образцов минералов с глубины более 5 километров (3,1 мили) под поверхностью Луны и анализ их на наличие распада протонов либо на самой Луне, либо на Земле. Исследователи отмечают, что эти образцы, полученные с помощью лунных палеодетекторов, могут дать данные о времени жизни протонов до 1034 лет. Для сравнения, возраст Вселенной составляет приблизительно 13,7*10^9 лет. Итак, каковы наиболее важные результаты этого исследования?
Доктор Стенгел рассказывает в интервью Universe Today: "Для образца лунного минерала, который обладает достаточной радиоактивной чистотой, чтобы смягчить радиогенный фон, и находится на достаточной глубине для защиты от других космических лучей, мы показали, что чувствительность палеодетекторов к распаду протонов в принципе может конкурировать с традиционными экспериментами по распаду протонов следующего поколения." Как уже отмечалось, распад протона по-прежнему остается гипотетическим типом распада частиц и был впервые предложен в 1967 году советским физиком, лауреатом Нобелевской премии доктором Андреем Сахаровым. Как следует из названия, предполагается, что распад протона происходит, когда протоны распадаются на частицы размером меньше атома, также называемые субатомными частицами. Как отмечается в этом недавнем исследовании и в ряде предыдущих работ, распад протона еще предстоит обнаружить или наблюдать. Однако предполагается, что он может помочь лучше понять нашу Вселенную и происхождение жизни, поскольку квантовое туннелирование предлагается как процесс распада протона.
Итак, в чем же заключается значение поиска распада протона и какие последствия может иметь его существование для науки и, в частности, для физики элементарных частиц в целом? Доктор Стенгел рассказывает в интервью Universe Today: "Распад протона - это общее предсказание теорий физики элементарных частиц, выходящее за рамки стандартной модели (SM). В частности, распад протона может быть одним из единственных низкоэнергетических предсказаний так называемых теорий Великого объединения (GUTs), которые пытаются объединить все силы, опосредующие взаимодействия SM, в одну силу при очень высоких энергиях. Физики разрабатывают и проводят эксперименты по наблюдению распада протонов уже более 50 лет." Доктор Стенгел продолжает: "Открытие распада протона, будь то в детекторе минералов или в более традиционном эксперименте, имело бы невероятные последствия для науки в целом и физики элементарных частиц в частности. Такое открытие стало бы первым подтверждением физики элементарных частиц за пределами SM. В зависимости от того, насколько хорошо удастся охарактеризовать сигнал распада протона, мы могли бы узнать что-то о фундаментальной теории природы".
Как уже отмечалось, гипотетическая концепция, предложенная в этом исследовании с использованием палеодетекторов для обнаружения распада протонов на Луне, потребовала бы сбора образцов на глубине не менее 5 километров (3,1 мили) под поверхностью Луны. Например, самая глубокая глубина, на которой люди когда-либо собирали образцы из-под лунной поверхности, составляла чуть менее 300 сантиметров (118 дюймов), а образцы керна были получены от астронавтов "Аполлона-17". На Земле самой глубокой скважиной, созданной человеком, является Кольская сверхглубокая скважина на севере России, ее истинная вертикальная глубина составляет приблизительно 12,3 километра (7,6 миль), для чего требуется пробурить несколько скважин и потратить на это несколько лет. Хотя в исследовании отмечается, что предлагаемая концепция использования палеодетекторов на Луне является "явно футуристической", какие шаги необходимы, чтобы превратить эту концепцию из футуристической в реалистичную?
Доктор Стенгел рассказывает в интервью Universe Today: "Поскольку мы стараемся не отходить слишком далеко от наших соответствующих областей знаний, связанных с физикой элементарных частиц, мы решили вообще не вдаваться в подробности о реальной логистике проведения такого эксперимента на Луне. Однако мы также сочли эту концепцию своевременной, поскольку различные научные учреждения в разных странах рассматривают возможность возвращения на Луну и планируют широкую программу экспериментов". Доктор Стенгел продолжает: "Как вы упомянули, образцы минералов необходимо было бы извлечь из лунной коры глубиной не менее 5 км. Таким образом, на Луну должна была бы быть доставлена буровая установка, способная достигать таких глубин, и эксплуатироваться на ней. Хотя эта логистическая проблема кажется сложной, мы отмечаем, что, например, НАСА предполагает, что в конечном итоге на Луну будут доставлены достаточно большие полезные грузы в рамках программы Artemis".
Как уже отмечалось, это исследование проводится в рамках программы НАСА Artemis, которая планирует вернуть астронавтов на поверхность Луны впервые более чем за 50 лет с целью высадки первой женщины и цветного человека на поверхность Луны. Кроме того, поскольку научный интерес к палеодетекторам продолжает расти, концепция, предложенная в этом исследовании, может оказаться полезной с научной точки зрения не только для обнаружения распада протона, но и для лучшего понимания нами нашего места во Вселенной. В конце концов, оказывается, что потребуется лишь небольшая выборка, чтобы подтвердить ценность предложенной концепции. Доктор Стенгел рассказывает в интервью Universe Today: "Из-за того, что палеодетекторы подвергаются воздействию распада протонов в течение миллиардов лет, для проведения обычных экспериментов требуется всего один килограмм материала-мишени, чтобы конкурировать с обычными экспериментами. В сочетании с научной мотивацией и недавним стремлением к возвращению людей на Луну для научных исследований, мы считаем, что палеодетекторы могут стать последним рубежом в поисках распада протонов".
