Naukowcy sprawdzili, czy protony są wieczne

Zdjęcie: Naukowcy sprawdzili, czy protony są wieczne

Gdyby protony rozpadały się choćby raz na wiek Wszechświata – materia wokół nas nie byłaby tak stabilna, jak się wydaje. W eksperymencie Super-Kamiokande w Japonii sprawdzono, czy w ogromnym zbiorniku ultraczystej wody widać ślady rozpadu protonów i neutronów. W badaniach uczestniczyły polskie ośrodki.

W szklance wody, w kamieniu, w ludzkim ciele i w całej Ziemi są niewyobrażalne liczby protonów i neutronów. Gdyby ich średni czas życia był zaledwie porównywalny z wiekiem Wszechświata, rozpady zachodziłyby wokół nas nieustannie. Sam fakt, iż świat trwa w znanej nam postaci, mówi więc, iż o ile proton może się rozpaść, to robi to znacznie rzadziej.

Taki rozpad byłby znakiem, iż Model Standardowy, choć niezwykle skuteczny, nie jest ostatnim słowem w opisie cząstek. Oznaczałby naruszenie zasady zachowania liczby barionowej, która w znanych procesach chroni zwykłą materię przed znikaniem. Byłby też wskazówką w stronę teorii wielkiej unifikacji, według których przy ogromnych energiach oddziaływania elektromagnetyczne oraz jądrowe słabe i silne mogłyby być różnymi przejawami jednego głębszego oddziaływania. W takim obrazie kwarki i leptony są ze sobą bliżej powiązane, a proton przestaje być cząstką absolutnie stabilną. Takiej hipotezy nie da się sprawdzić w małym laboratorium. Trzeba zbudować urządzenie, które przez lata będzie cierpliwie patrzyło na olbrzymią liczbę cząstek naraz. Właśnie takim urządzeniem jest Super-Kamiokande – detektor znajdujący się w Japonii, głęboko pod górą Ikeno. Pod ziemią kryje się ogromna cylindryczna komora wypełniona 50 tysiącami ton ultraczystej wody.

Jej ściany pokrywa ogromna liczba fotopowielaczy, czyli czułych detektorów światła działających trochę jak fotoreceptory na siatkówce naszych oczu. Woda w Super-Kamiokande jest jednocześnie materiałem badanym i częścią aparatury. Jej cząsteczki zawierają protony i neutrony, których rozpadu można szukać. A jeżeli w wodzie powstanie naładowana cząstka biegnąca szybciej niż światło rozchodzi się w wodzie, pojawia się delikatny błękitny błysk – promieniowanie Czerenkowa. Taka poświata jest w sensie fizycznym świetlnym odpowiednikiem huku naddźwiękowego. Fotopowielacze rejestrują jej ślad, a badacze z układu pierścieni światła odtwarzają, jakie cząstki pojawiły się w detektorze.

W najnowszej pracy opublikowanej w czasopiśmie Physical Review D (doi: 10.1103/gwc6-55bg) zespół Super-Kamiokande badał dwa scenariusze: rozpad protonu na neutrino i dodatni pion oraz rozpad neutronu na neutrino i neutralny pion. Neutrino prawie zawsze ucieka z detektora niezauważone, dlatego kluczem są piony – krótkotrwałe cząstki, które mogą zostawić w wodzie charakterystyczny ślad świetlny. To jednak nie jest proste czekanie na pojedynczy błysk. Super-Kamiokande rejestruje także zdarzenia wywołane przez neutrina atmosferyczne, powstające wtedy, gdy promieniowanie kosmiczne uderza w górne warstwy atmosfery. Niektóre z nich mogą przypominać sygnał rozpadu nukleonu. Dlatego analiza wymaga ogromnych zbiorów danych, bardzo dokładnych symulacji i dobrej kontroli tła: trzeba wiedzieć, jak piony zachowują się w jądrze tlenu, jak są pochłaniane lub rozpraszane i jak zmieniała się praca detektora w kolejnych fazach eksperymentu.

W tych pracach istotną rolę odgrywają polskie ośrodki. W składzie międzynarodowej współpracy Super-Kamiokande uczestniczą naukowcy związani z Narodowym Centrum Badań Jądrowych, Uniwersytetem Śląskim w Katowicach i Uniwersytetem Warszawskim. Potrzebne są tu analizy danych, symulacje, kontrola niepewności i doświadczenie z fizyki neutrin oraz oddziaływań cząstek w materii. Nowy przegląd objał prawie pół megatonoroku danych, czyli ogromnej masy obserwowanej wody w czasie wielu lat pomiaru. Dane nie pokazały nadmiaru zdarzeń, który można by uznać za rozpad protonu lub neutronu w badanych kanałach. W fizyce cząstek taka cisza bywa jednak bardzo wymowna: skoro w tak dużym zbiorze danych niczego nie znaleziono, poszukiwany proces, jeżeli istnieje, musi być jeszcze rzadszy. Dla rozpadu protonu na neutrino i dodatni pion wyznaczono dolną granicę czasu życia cząstkowego na 25 tryliardów razy więcej niż wynosi wiek Wszechświata. To około 350 kwintylionów lat, czyli 350 i trzydzieści zer. Dla rozpadu neutronu na neutrino i neutralny pion granica wynosi jeszcze cztery razy więcej. Nie są to daty rozpadu pojedynczej cząstki, ale granice statystyczne: gdy obserwujemy ogromną liczbę nukleonów i nie widzimy rozpadu, możemy powiedzieć, jak rzadki musi być taki proces.

To badanie nie skończyło się odkryciem rozpadu protonu. Stało się kolejnym argumentem ograniczającym teorie wielkiej unifikacji. Bardziej złożone scenariusze przez cały czas są możliwe, ale muszą mieścić się w coraz ciaśniejszych ramach. Każdy rok pracy detektorów mówi teoretykom, iż jeżeli materia ma ukryty mechanizm rozpadu, to jest on subtelniejszy, rzadszy albo prowadzi innymi kanałami, niż zakładano. Następne rozdziały tej historii będą pisane w jeszcze większych detektorach. Hyper-Kamiokande powstaje w Japonii, niedaleko miejsca, w którym działa Super-Kamiokande.

Będzie jeszcze większym wodnym detektorem Czerenkowa, zaprojektowanym do badań neutrin i dalszego poszukiwania rozpadu protonu. W projekcie uczestniczy silny polski zespół obejmujący m.in. NCBJ, IFJ PAN, UW, PW, UŚ, UWr, AGH, UJ i CAMK PAN. W Stanach Zjednoczonych rozwijany jest DUNE, czyli Deep Underground Neutrino Experiment. Wiązka neutrin ma powstawać w Fermilab w Illinois, a duże detektory będą pracować 1300 kilometrów dalej, głęboko pod ziemią w Sanford Underground Research Facility w Dakocie Południowej. DUNE użyje ciekłego argonu, który pozwala bardzo precyzyjnie rejestrować ślady cząstek. W międzynarodowej współpracy DUNE uczestniczy Uniwersytet Warszawski. Jest też śródziemnomorskie laboratorium KM3NeT – sieć detektorów neutrin budowana na dnie Morza Śródziemnego. Zamiast wielkiego zbiornika w kopalni wykorzystuje naturalny ogrom morza. W przezroczystej wodzie morskiej rozmieszczone są linie z modułami optycznymi,

które rejestrują błyski promieniowania Czerenkowa. W Polsce z KM3NeT związane są zespoły NCBJ, AGH i CAMK PAN.

Wszystkie te eksperymenty wymagają cierpliwości. Nie produkują zderzeń tak jak akceleratory. Raczej czekają. Woda pod górą, argon w podziemnej komorze i Morze Śródziemne oplecione czujnikami stają się pułapkami na rzadkie ślady cząstek. jeżeli protony naprawdę nie są wieczne, odpowiedź może przyjść jako pojedynczy, krótki wzór światła w ogromnej ciemności. Super-Kamiokande tej odpowiedzi jeszcze nie zobaczył. Ale jego milczenie mówi już bardzo dużo.

źródło: PAP / fot: ilustracyjne, envato.elements