和世間萬(wan) 物一樣，質子也有它自己的生命周期。想要探尋質子的生命周期，首先要了解一個(ge) 概念——衰變，它指的是不穩定的原子核在放射出粒子及能量後變得比較穩定的一個(ge) 過程。一般我們(men) 認為(wei) 的粒子壽命，就指的是它的衰變周期。

　　預測的質子衰變模式之一：一個(ge) 質子衰變為(wei) 正電子和一個(ge) 中性介子。中性介子立即衰變為(wei) 兩(liang) 條伽馬射線。（圖片來源：超級神岡(gang) 探測器官網）

　　1919年，盧瑟福宣布發現質子。當時，人們(men) 唯一知道的物質的基本組成粒子隻有電子。而物理學家對質子的認識是，質子不可能在不違反電荷守恒的情況下發生衰變。後來，重子數守恒原理被提出。重子是指由三個(ge) 誇克（或者三個(ge) 反誇克組成反重子）組成的複合粒子，它並不是基本粒子。最常見的重子有組成日常物質原子核的質子和中子，與(yu) 反質子、反中子合稱為(wei) 核子。於(yu) 1932年發現的中子和質子，它們(men) 的重子數為(wei) +1，它們(men) 的反粒子的重子數為(wei) -1，電子的重子數則為(wei) 0。舉(ju) 個(ge) 例子，中子可以衰變為(wei) 一個(ge) 質子、一個(ge) 電子和一個(ge) 反中微子，在這個(ge) 過程中總重子數是不變的。

　　物理學家戈德哈伯曾說過，如果質子的壽命小於(yu) 10^16年，那麽(me) 我們(men) 應該能從(cong) 骨頭裏感受到它們(men) ，因為(wei) 我們(men) 的身體(ti) 將會(hui) 具有致命的放射性。作為(wei) 比較，宇宙的年齡隻有138億(yi) 年，也就是1.38×10^10年。

　　1954年，戈德哈伯對他先前的估測進行了改進。他認為(wei) 如果失去一個(ge) 核子將會(hui) 使原子核處於(yu) 激發態，從(cong) 而有可能導致裂變，他用232Th來計算束縛的核子的壽命，得到的結果為(wei) 大於(yu) 10^20年。隨後，格奧爾基·弗廖羅夫很快將這個(ge) 數字擴展為(wei) 大於(yu) 3×10^23年。

　　戈德哈伯還與(yu) 弗雷德·雷恩斯和克萊德·考恩合作，采用500升熒光液體(ti) 進行了實驗。這項實驗測試了直接觀測到質子衰變的可能性。他們(men) 在液體(ti) 的周圍環繞了90個(ge) 光電倍增管，這套設備本來是設計來檢測反應堆中微子的。但他們(men) 沒有發現任何信號，這就表明自由質子（指那些沒有被束縛在原子核內(nei) 的質子）的壽命一定比10^21年更長，而束縛核子的壽命則必須大於(yu) 10^22年。到了1974年，在一項用20噸熒光液體(ti) 進行的宇宙射線實驗中，雷恩斯和他的其他同事將質子的壽命推到了10^30年以上。

　　1974年前後，物理學家提出了大統一理論（GUT），它不僅(jin) 是要統一強核力、弱核力、電磁力，而且還要把誇克和輕子緊密地聯係在一起。GUT允許重子數不守恒。尤其是霍華德 喬(qiao) 治和謝爾頓·李·格拉肖的最小SU(5)模型預測了，在10^(31±1)年的時間區間內(nei) ，質子會(hui) 衰變成正電子和中性π介子（p → e^(+)π^0），這與(yu) 可以觀測到的下限10^30年相差並不遠。

　　超級神岡(gang) 探測器被用探測質子衰變以及被設計來尋找太陽、地球大氣的中微子，並觀測銀河係內(nei) 超新星爆發。（圖片來源：超級神岡(gang) 探測器官網）

　　到了1981年，7個(ge) 這樣的實驗被安裝在地下深處，它們(men) 要麽(me) 使用完全活躍的切倫(lun) 科夫水探測器，要麽(me) 使用取樣測熱計來監測大量的質子。

　　神岡(gang) 探測器是日本東(dong) 京大學在岐阜縣飛驒市神岡(gang) 町的茂住礦山一個(ge) 深達1000米的廢棄砷礦中建造的大型中微子探測器。其目標是探測質子衰變以及被設計來尋找太陽、地球大氣的中微子，並觀測銀河係內(nei) 超新星爆發。IMB探測器建造於(yu) 上世紀80年代初，本來用於(yu) 探測質子是否衰變，反而幫助科學家發現了大氣中微子的振蕩。它們(men) 都是尋找質子衰變的重要實驗。但這些實驗將質子壽命的下限提高到了10^32年，降低了最小SU(5)大統一規範理論的可行性。

　　在1987年，IMB探測器和神岡(gang) 探測器二代因探測到了來自超新星SN1987a釋放的中微子而名聲大噪。神岡(gang) 探測器二代早已經在研究太陽中微子和大氣中微子，它的繼任者——超級神岡(gang) 探測器對大氣和太陽中微子振蕩進行了開創性的觀測。目前，超級神岡(gang) 對質子衰變成e^(+)π^0的時間設置了最高下限：1.6×10^34年。



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