Существует ли протонный распад и как его искать? Об этом рассказывает недавно представленное исследование, в котором группа международных учёных изучает концепцию использования образцов с Луны для поиска доказательств распада протонов, который остаётся гипотетическим типом распада частиц, ещё не наблюдался и продолжает ускользать от специалистов по физике частиц. Это исследование потенциально может помочь решить одну из давних загадок всей физики, поскольку оно, вероятно, позволит провести новые исследования глубинных уровней и законов природы в целом.

Universe Today обсуждает это исследование с доктором Патриком Штенгелем, постдоком в группе космологии в отделении INFN в Ферраре, о мотивах исследования, значимых результатах, значении поиска распада протонов, последствиях для подтверждения существования распада протонов и воплощения их концепции в реальность. Итак, что же стоит за этим исследованием?

Доктор Штенгель рассказал Universe Today, что исследование началось примерно в 2018 году с ведущего автора, доктора Себастьяна Баума, и других учёных, благодаря идее использования «палеодетекторов» — метода изучения частиц, охватывающих огромные периоды геологического времени. Это привело к дискуссии с соавтором исследования, доктором Джошуа Спитцем, который заинтересовался палеодетекторами после того, как в нескольких работах был рассмотрен их потенциал для поиска тёмной материи, и одним из аспирантов доктора Спитца о том, как палеодетекторы могут быть использованы для обнаружения существования распада протонов. Однако команда опубликовала исследование, в котором говорилось о том, что найти протонный распад на Земле невозможно из-за атмосферных нейтрино.

«Примерно через год после завершения работы над статьёй об атмосферных нейтрино Шпиц предложил рассмотреть образцы минералов с Луны, — рассказывает доктор Штенгель в интервью Universe Today. — Из-за отсутствия атмосферы поток нейтрино, вызванных космическими лучами, на Луне гораздо менее насыщен, чем на Земле. Соответственно, на Луне должно наблюдаться меньше нейтринных взаимодействий, вызванных космическими лучами, что позволяет, по крайней мере, в принципе, искать распад протонов в палеодетекторах».

Для исследования учёные предложили гипотетическую концепцию использования палеодетекторов, которая предполагает сбор образцов минералов с глубины более 5 километров под поверхностью Луны и их анализ на наличие протонного распада либо на самой Луне, либо на Земле. Исследователи отмечают, что эти образцы лунного палеодетектора могут дать время жизни протонов до 10³⁴ лет. Для сравнения, возраст Вселенной составляет примерно 13,7 х 10⁹ лет. Итак, каковы же наиболее значимые результаты этого исследования?

Доктор Штенгель рассказывает Universe Today: «Для образцов лунных минералов, которые достаточно радиочисты для снижения радиогенного фона и захоронены на достаточной глубине для защиты от других фонов космических лучей, мы показываем, что чувствительность палеодетекторов к протонному распаду в принципе может быть конкурентоспособной с экспериментами нового поколения по традиционному протонному распаду».

Как уже отмечалось, протонный распад остаётся гипотетическим типом распада частиц и был впервые предложен в 1967 году советским физиком и лауреатом Нобелевской премии, доктором Андреем Сахаровым. Как следует из названия, протонный распад, согласно гипотезе, происходит, когда протоны распадаются на частицы размером меньше атома, также называемые субатомными частицами. Как отмечается в этом недавнем исследовании и различных предыдущих исследованиях, протонный распад ещё не обнаружен и не наблюдался. Однако существует гипотеза, что он может помочь лучше понять нашу Вселенную и происхождение жизни, а в качестве процесса распада протонов предлагается использовать квантовое туннелирование. В связи с этим, каково значение поиска протонного распада, и какие последствия его существование может иметь для науки, в частности для физики частиц, в целом?

Доктор Штенгель рассказал Universe Today: «Распад протонов — это общее предсказание теорий физики частиц, выходящих за рамки Стандартной модели (СМ). В частности, распад протонов может быть одним из единственных низкоэнергетических предсказаний так называемых Больших объединённых теорий (GUT), которые пытаются объединить все силы, опосредующие взаимодействия СМ, в одну силу при очень высоких энергиях. Физики разрабатывают и строят эксперименты по поиску распада протонов уже более 50 лет».

Доктор Штенгель продолжает: «Обнаружение распада протонов, будь то с помощью минерального детектора или в более традиционном эксперименте, имело бы невероятные последствия для науки в целом и физики частиц в частности. Такое открытие стало бы первым подтверждением физики частиц за пределами СМ. В зависимости от того, насколько хорошо удастся охарактеризовать сигнал распада протона, мы сможем узнать кое-что о фундаментальной теории природы».

Как отмечается, гипотетическая концепция, предложенная в данном исследовании, с использованием палеодетекторов для обнаружения протонного распада на Луне, потребует сбора образцов на глубине не менее 5 километров под лунной поверхностью. Для сравнения, самая большая глубина, на которой люди когда-либо собирали образцы из-под лунной поверхности, составляла чуть менее 300 сантиметров в образцах бурового керна, полученных астронавтами «Аполлона-17».

На Земле самой глубокой из созданных человеком скважин является Кольская сверхглубокая на севере России, её истинная вертикальная глубина составляет примерно 12,3 километра, а для её создания потребовалось несколько скважин и несколько лет. Хотя в исследовании отмечается, что предложенная концепция использования палеодетекторов на Луне «явно футуристична», какие шаги необходимы для того, чтобы перевести эту концепцию из разряда футуристических в разряд реалистичных?

Доктор Штенгель рассказал Universe Today: «Поскольку мы стараемся не отходить слишком далеко от наших соответствующих областей знаний, связанных с физикой частиц, мы решили не рассуждать о реальной логистике проведения такого эксперимента на Луне. Однако нам показалось, что эта концепция своевременна, поскольку различные научные агентства в разных странах рассматривают возможность возвращения на Луну и планируют широкую программу экспериментов».

Доктор Штенгель продолжает: «Как вы уже сказали, образцы минералов нужно будет добывать на глубине не менее 5 км в лунной коре. Таким образом, на Луну должна быть доставлена и работать на ней буровая установка, способная достигать таких глубин. Хотя эта логистическая задача кажется сложной, мы отмечаем, что, например, НАСА предполагает, что достаточно большие полезные нагрузки в конечном итоге будут доставлены на Луну в рамках программы "Артемида"».

Как отмечается, данное исследование проводится в рамках программы НАСА «Артемида», в рамках которой планируется вернуть астронавтов на лунную поверхность впервые за более чем 50 лет с целью высадки первой женщины и цветного человека на лунную поверхность. Кроме того, поскольку научный интерес к палеодетекторам продолжает расти, концепция, предложенная в этом исследовании, может оказаться полезной не только для обнаружения протонного распада, но и для лучшего понимания нашего места во Вселенной. И наконец, оказалось, что для того, чтобы предложенная концепция оправдала себя, потребуется лишь небольшая выборка.

Доктор Штенгель рассказывает Universe Today: «Благодаря тому, что палеодетекторы подвергаются воздействию протонного распада на протяжении миллиардов лет, для того чтобы конкурировать с обычными экспериментами, необходим всего один килограмм целевого материала. В сочетании с научной мотивацией и недавним стремлением вернуть людей на Луну для научных исследований, мы считаем, что палеодетекторы могут стать последним рубежом в поисках протонного распада».