Группа физиков из Италии представила новую концепцию поиска признаков распада протона. Исследователи предложили пробурить на Луне скважину глубиной пять километров и безопасно извлечь оттуда образцы породы, сохраняющие следы этого события. Если идею ученых притворят в жизнь и миссия окажется успешной, открытие поможет объединить противоречащие физические теории.
Современная физика основывается на так называемой Стандартной модели. Она описывает электромагнитное, слабое и сильное взаимодействия всех известных элементарных частиц. Эта модель хорошо согласуется с большинством экспериментов и дает верные и точные предсказания, которые проверены уже не раз. Однако у нее есть недостатки: модель предлагает далеко не полную картину физического мира. В частности, она не способна объединить квантовую механику с теорией относительности Альберта Эйнштейна, описывающей четвертое фундаментальное взаимодействие — гравитацию.
Так, например, согласно Стандартной модели, протон — одна из трех элементарных частиц (еще нейтрон и электрон), из которых построено обычное вещество — должен оставаться стабильным и иметь бесконечное время жизни. Иные же физические теории, наоборот, гласят, что протон должен распадаться на другие частицы, хотя и редко.
Правда, распад протона — пока что гипотеза. На Земле такое явление до сих пор не наблюдали, то есть экспериментально не подтвердили. Если бы ученые нашли доказательства распада протона, противоречащие друг другу физические теории можно было бы объединить в одну — Теорию Великого объединения.
Команда физиков из Италии под руководством Патрика Стенгеля (Patrick Stengel) из Национального института ядерной физики в Ферраре рассказала о своем варианте решения этой проблемы. Ученые предложили искать признаки распада протонов по микроскопическим дефектам в кристаллической структуре материала, которые вызывают заряженные каоны — мезоны, состоящие из антикварка и кварка.
Каоны рождаются в протон-протонных и протон-ядерных соударениях при больших энергиях первичных протонов. Иными словами, по активности этих мезонов можно отследить распад протона. По мнению ученых, такие изыскания следует вести не на Земле, а в недрах Луны, в плотных древних породах, способных удерживать следы заряженных частиц.
В статье, опубликованной на сайте электронного архива препринтов arXiv, ученые отметили, что плотная лунная порода может сохранять свидетельства распада протона в виде химических изменений в минеральном составе. В качестве примера Стенгель и его коллеги привели оливин — один из основных минералов лунного реголита. Компьютерное моделирование показало, что в образце оливина, извлеченного из недр Луны, возрастом миллиард лет, должно содержаться пять каонов на килограмм материала.
Исследователи подсчитали, что признаки распада протона должны сохраняться в недрах естественного спутника нашей планеты, на глубине как минимум пяти километров. Такой глубины достаточно, чтобы следы этого события нельзя было спутать с похожими реакциями, вызванными высокоэнергетическими нейтрино.
На Земле нейтрино зачастую образуются во время попадания космических лучей в атмосферу. Столкновения космических лучей, состоящих в основном из протонов, с атомами воздуха рождает заряженные пионы, которые распадаются среди прочего на высокоэнергетические мюонные нейтрино. На Луне нет атмосферы, значит, воздействия такого рода событий на ее недра происходят крайне редко (за исключением космических нейтрино).
Чтобы получить необходимые образцы, авторы нового исследования предложили отправить на Луну мощный бур. Затем извлеченную породу проанализирует система, которая будет применять передовые методы микроскопии. Доставка образцов на Землю бессмысленна, поскольку транспортировка может привести к загрязнению образцов космическими лучами. Поэтому ученые предложили изучать их прямо на месте.
У концепции Стенгеля и его команды есть плюсы и минусы. К плюсам, бесспорно, относится компактность. Вместо громоздких (весом в тысячи тонн) и дорогих (сотни миллионов долларов) детекторов, которыми ученые пользуются на Земле, вроде японского «Супер-Камиоканде», на Луне можно задействовать небольшие и относительно дешевые установки. Даже с учетом отправки на естественный спутник это может быть гораздо выгоднее.
Кроме того, на Луне для поиска следов распада протона можно работать с совсем крошечными образцами, причем на их исследование будет уходить мало времени. На нашей планете это осуществить невозможно: на Земле такие поиски идут с 1973 года. Первую попытку предприняли физики Абдус Салам и Джогеш Пати из Имперского колледжа Лондона.
К минусам следует отнести то, что такого рода проекты сложно воплотить в жизнь. Чего только стоит разработка бура. Люди еще ни разу с помощью роботов не бурили скважины на поверхности другого космического тела. Неизвестно, как подобные установки будут вести себя на той же лунной поверхности и с какими препятствиями они могут столкнуться во время работы.
Поэтому идея команды физиков из Италии выглядит скорее футуристической, для будущего, нежели идей, которую можно воплотить в наше время.