质子能活多久? 10³⁴年寿命挑战, 科学家为测它建地下巨探测器

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你每天摸到的桌子、踩的地面，甚至你自己的身体，追根究底都是由一种粒子撑起来的，质子。

这玩意儿是可见物质的“顶梁柱”，占了我们能看到的物质质量大半。

科学家们吵了几十年，这玩意儿到底会不会“死”？实验说它至少能活10³⁴年，比现在宇宙年龄还长，理论却预言它早该衰变了。

今天咱就聊聊，这个宇宙最持久粒子的终极谜题。

质子的“不死传说”，从实验室到宇宙尺度的矛盾

质子这东西，乍一看就像个“老寿星”。

你听说过稳定同位素吧？像氢、氧这些构成世界的元素，原子核里的质子就没见它们变过。

氘核知道不？就是重氢，它的稳定性全靠质子和中子的结合能撑着，只要这结构不散，质子就跟焊死了似的。

自由中子就不一样了，单独存在时10分钟左右就会“变身”，放出电子和中微子，变成质子。

同样是核子，为啥质子这么扛造？这事儿得从量子世界的“穿墙术”说起，量子隧穿效应。

α衰变就是典型例子，粒子明明能量不够，却能像穿墙一样跑出来，电子显微镜也靠这原理干活。

按理说，质子也该有这种“隧穿”的可能，从高能状态跳到低能状态，也就是衰变。

可实验里死活看不到。

更让人头疼的是重子数守恒。

标准模型里说重子数是守恒的，质子作为重子，不该衰变。

但宇宙里物质比反物质多得多，这违反了对称，标准模型又解释不了，只好说重子数守恒可能只是“表面现象”。

理论与实验的拉锯战，质子衰变为何难倒全世界？

为了破解这些矛盾，科学家们早就开始“脑洞大开”。

上世纪80年代流行的大统一理论，说电磁力、强力、弱力在高能下会统一，质子就可能衰变，寿命大概10³⁰年。

结果建了探测器等了半天，啥也没看着，这理论就跟过期牛奶似的，只好扔了。

后来超对称理论出来救场，说标准模型里缺了超对称粒子，加上这些粒子，质子寿命能延长到10³⁶年以上，正好在现在的实验探测极限之外。

这就像给旧衣服打补丁，暂时看着还行，但谁知道未来会不会又出问题？

更关键的是，质子衰变可能和我们的存在有关。

宇宙大爆炸应该产生等量的物质和反物质，碰一下全没了，哪来的地球和我们？萨哈罗夫说，要形成这种不对称，得满足三个条件，其中就有重子数破坏。

质子衰变可能就是重子数破坏的“逆过程”，要是质子不衰变，我们的存在就成了未解之谜。

实验上，科学家们早就行动起来了。

日本的Super-Kamiokande探测器，跟个巨型热水瓶似的，装了5万吨纯水，埋在地下1公里，就为了等质子“老死”的那一刻。

意大利的BOREXINO探测器用278吨有机闪烁体，灵敏度更高。

到现在，这些探测器都没捕捉到质子衰变的信号，只能把寿命下限提到10³⁴年。

这些实验不光找质子衰变，还意外推动了其他科学。

比如Kamiokande探测器，本来是找质子衰变的，结果1987年捕捉到了超新星爆发的中微子，开创了中微子天文学。

现在暗物质搜索也在用类似的探测技术，算是“无心插柳柳成荫”。

下一代探测器更猛。

美国的DUNE实验要用4万吨液氩，日本的Hyper-Kamiokande计划装26万吨纯水，灵敏度再提一个量级。

要是未来真观测到质子衰变，整个物理学教科书都得重写，要是永远观测不到，那我们可能得接受“有些粒子就是永恒的”这个事实，哪种结果都挺让人兴奋的。

质子寿命这事儿，看着是个小问题，其实连接着粒子物理和宇宙学的命脉。

它就像一把钥匙，要么打开新物理的大门，要么让我们重新思考“永恒”的意义。

随着技术进步，也许未来某天，我们真能揭开这个宇宙终极谜题的答案。