Протон: шансы на бессмертие?

Протон: шансы на бессмертие?

На школьной скамье мы узнаем о протоках и электронах — электрически заряженных частицах атома. Протон — как бы его сердцевина, простейшее атомное ядро. Природа наделила протон устойчивостью, и благодаря этому счастливому обстоятельству существуем мы с вами и окружающий мир. Протоны — своего рода кирпичи материального мира, из которых построена вся природа, как живая, так и неживая. Только в человеческом теле их 10^г9. Журналисты любят записывать числа во всем их великолепии, так для этого числа не хватило бы и строчки в газетном столбце, ибо пришлось напечатать подряд 29 нулей. Число это огромное, даже название для него. не. придумано. Представление о нем дает такое сравнение: размер нашей Вселенной больше толщины однокопеечной монеты в 10²⁹ раз.

«А вечна ли эта частица?» Этот вопрос интересует ученых, особенно в последнее, время. И вовсе не из-за боязни «конца света». Наоборот, они даже, заинтересованы найти следы ее распада. И вот почему.

Еще сравнительно недавно, в 60-х годах, в. физике элементарных частиц царило нечто вроде хаоса и беспорядка. Частиц, которых продолжали называть элементарными стало много — около 200, а вот общих принципов, которые легли бы в основу их классификации не было. И это обстоятельство лишало физиков душевного равновесия. Примерно так же чувствовали себя химики в прошлом веке, пока великий Менделеев не открыл периодический закон, указавший место, отведенное природой каждому химическому элементу. Известно, какое глобальное значение имел этот закон для дальнейшего развития химии и других, сопредельных наук.

Такой же порядок мечтали и мечтают навести у себя физики — выявить единство сил природы, описать иx едиными уравнениями. Это стремление имеет давнюю историю. Еще Ньютон показал, что силы, земного тяготения и управляющие движением планет описываются одними уравнениями. Максвелл воедино связал своими замечательными уравнениями электрические и магнитные силы. Затем многие выдающиеся исследователи, хотели объединить гравитацию, я электромагнитные силы. Полагали, что какая-нибудь гениальная до безумности идея станет ключом к единой теории поля. На увы!.. А тут еще физикам стали известны, два новых вида сил. — слабое и сильное взаимодействия. Если гравитация и электромагнитные силы дальнодействующие, то сильное и слабое взаимодействия проявляются на микроскопических расстояниях, го-раз до меньших, чем размеры атомного ядра. Казалось, задача еще более усложнилась.

Но вот в последнее десятилетие незаметно для нас — нефизиков — в этой науке происходит бесшумная революция. Если сравнить дорогу исканий с длинным темным туннелем, то теперь в его конце забрезжил свет. Появилась надежда создать единую теорию всех четырех сил природы: гравитационных, электромагнитных, сильного и слабого взаимодействий. Ключом к решению проблемы стала квантовая теория поля, в которой в последнее десятилетие произошел большой прогресс.

Уже теоретически и экспериментально подтверждено единство электромагнитного и слабого взаимодействий, которое назвали электрослабым. Создана модель, как называют физики, большого объединения, воедино связывающего сильное, слабое и электромагнитное взаимодействия. Есть наметки, как распространить объединение на гравитационные силы.

Но в рамках теории большого объединения основной строительный материал нашего мира — протон — нестабилен. Вот почему физики так настойчиво ищут следы его распада. Это, пожалуй, единственная пока возможность экспериментально подтвердить теорию большого объединения. «Экспериментом века» назвали ученые начавшийся в 80-е годы поиск распада протона.

Что можно было предварительно сказать о времени жизни протона? Вся наша предыстория говорит о том, что протон — стабильная частица. Во всяком случае, ее жизнь на много порядков превышает 10¹⁵. или иначе миллион миллиардов лет. А это громадный возраст, временной интервал даже по сравнению с возрастом Вселенной, которая, по современным воззрениям, существует около десяти миллиардов лет. Если бы время жизни протона было бы меньше 10¹⁵ лет, то из 10²⁹ протонов нашего тела за один год их распалось бы более ста тысяч миллиардов, или иначе 10¹⁴. Никакой потери веса мы бы не ощутили, но вот доза радиации от такого распада была бы для человека, да и для любых сколь-нибудь крупных животных смертельна.

По теории же большого объединения время распада протона должно быть где-то в области 10³⁰—10³³ лет. Срок это огромный, практически бесконечный по сравнению с тем, сколько уже прожила наша Вселенная с момента своего рождения — Большого взрыва. Именно тогда, как считают ученые, и родились протоны. Но протон не обязательно живет столь долго. Это среднее время его существования. А вот сколько проживет каждый конкретный протон, сказать нельзя. Если он все-таки распадется, как полагают ученые, то время его жизни случайно. Таковы законы микромира. Протон может погибнуть гораздо раньше своих компаньонов, а может и пережить их всех.

Идея «эксперимента века» проста. Надо взять огромную массу, в принципе, любого вещества и наблюдать длительное время, появятся ли в ней частицы, рожденные при распаде протона. Чем больше масса вещества, тем больше в ней протонов, тем больше вероятность того, что хотя бы несколько из них погибнут. Протонов должно быть очень много — в сотни раз больше ожидаемого времени распада. Нужное количество протонов выражается числом более чем с 34–35 нулями, а для этого масса вещества, называемая детектором, должна быть более десяти тысяч тонн. (Современные детекторы имеют пока меньшую массу.) И из этого бесконечного числа «целых» протонов за год непрерывного наблюдения могут распасться несколько частиц, продукты распада которых надо уловить специальными счетчиками. Задача потруднее, чем найти без применения технических средств иголку в сене.

Поиск погибнувших протонов осложняется еще и тем, что в этой огромной массе вещества из-за радиоактивных примесей и космического фона будут распадаться и другие частицы, и эти события могут быть приняты за распад протонов. Чтобы преградить путь космическому фону, огромные детекторы прячут под большой толщей грунта или воды.

Но даже большая глубина не задержит нейтрино, рожденных космическими лучами в земной атмосфере. А они могут имитировать распад протона и практически не поглощаются всей толщей земного шара. Представляют опасность и мюоны — проникая глубоко под землю, они могут рождать в детекторе частицы с теми же энергиями, что и распавшиеся протоны. Чтобы отличить ложный след от истинного распада, нужны тонкие ухищрения. В поиски распавшихся протонов включились крупные научные коллективы. Одно из первых приближений для времени распада было получено на Баксанском нейтринном сцинцилляционном телескопе. Следов распада обнаружено не было, поэтому, исходя из характеристик прибора, был сделан вывод, что время распада должно быть более 1,5х Х10³⁰ лет. Первая установка, специализированная для изучения проблемы, была создана индийскими и японскими специалистами в Индии в золотоносной шахте на трехкилометровой глубине. Замеренное здесь время распада составило около 10³¹ лет. Впрочем, этому результату полностью доверять нельзя — в последнее время был найден еще один источник фона, связанный с мюонами, который мог бы дать такой же результат. Получены результаты и на установках в США, Японии, однако пока нельзя достоверно сказать, что распад протона обнаружен.

Планируется строительство детекторов большой массы. Веществом обычно служит очищенная вода, а подсчет числа должны вести счетчики, регистрирующие излучение Черенкова — Вавилова.

Американские физики обсуждают проект детектора с массой 40–60 тысяч тонн. Напомню, что масса столичной гостиницы «Москва» (кстати, определенная с помощью мюонов) равна примерно 45 тысячам тонн.

Новое поколение детекторов, возможно, в конце концов обнаружит распавшийся протон. А если нет, значит, время его жизни превышает 10³³ лет. Дальнейшие работы в этом направлении и сложны, и дороги. Может оказаться, что создать установку для измерения времени распада порядка 10³⁴ лет легче на Луне, чем на Земле. Ведь на нашем спутнике нет потока всепроникающих атмосферных нейтрино, мешающих опытам.

Обнаружат ли ученые распад протона, покажет будущее. Если нет, значит, время его жизни превышает наши технические возможности измерения. Тогда физики придумают другие эксперименты, косвенно подтверждающие теорию. На пути к большому объединению ожидаются и большие открытия. Физики настроены оптимистично. Они уверены, что будущие находки лишь подтвердят достигнутое. И кто знает, может, в недалеком будущем удастся проникнуть в святая святых природы — познать первооснову всех ее сил. Создаваемая теория великого, без преувеличения, объединения всех физических взаимодействий, как сказал вице-президент АН СССР академик Анатолий Логунов, «может произвести переворот во всей практической деятельности человека. Ведь с помощью одних сил можно будет управлять другими, превосходящими их во много раз».