Итальянские физики разработали новую идею для обнаружения признаков распада протона. По мнению исследователей, для этого необходимо пробурить на Луне скважину глубиной пять километров и получить образцы породы, которые сохранили бы свидетельства этого процесса. Успешная реализация этой идеи и миссии позволит объединить существующие, несовпадающие физические теории.
Современная физика основывается на так называемой Стандартной модели. Она охватывает электромагнитное, слабое и сильное взаимодействия всех известных элементарных частиц. Данная модель демонстрирует высокую степень соответствия с результатами большинства экспериментов и позволяет делать обоснованные и точные прогнозы, которые неоднократно подтверждались. Тем не менее, у неё имеются ограничения: она не представляет собой исчерпывающее описание физической реальности. В частности, она не может объединить квантовую механику с теорией относительности Описывающая четвертое фундаментальное взаимодействие — гравитацию — это работа Альберта Эйнштейна.
Так, например, согласно Стандартной модели, протон — одна из трех элементарных частиц (наряду с нейтроном и электроном), составляющих основу обычного вещества — должен быть стабильным и обладать бесконечным временем существования. Другие физические теории, напротив, утверждают, что протон должен распадаться на другие частицы, хотя и редко.
Несмотря на это, распад протона остается гипотетической возможностью. Экспериментально это явление на Земле пока не зафиксировано, то есть не получило подтверждения. В случае обнаружения доказательств распада протона, противоречащие друг другу физические теории можно было бы объединить в единую — Теорию Великого объединения.
Итальянские физики во главе с Патриком Стенгелем (Patrick Stengel) из Национального института ядерной физики в Ферраре представили свое решение этой задачи. Они предложили искать следы распада протонов, анализируя микроскопические дефекты в кристаллической структуре, которые приводят к появлению заряженных 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 подчеркнули, что плотные лунные породы способны хранить информацию о распаде протона, проявляющуюся в изменениях минерального состава. Так, Стенгель и его соавторы выделили оливин — оливин — один из ключевых минералов, составляющих лунный реголит. Согласно результатам компьютерного моделирования, в образце оливина, полученном из лунных пород и имеющем возраст около миллиарда лет, концентрация калия должна составлять пять атомов на килограмм вещества.
По мнению ученых, проявления распада протона должны сохраняться в недрах Луны на глубине не менее пяти километров. Это необходимо для того, чтобы отличить следы такого события от реакций, вызванных высокоэнергетическими нейтрино.
Нейтрино на Земле обычно возникают при взаимодействии космических лучей с атмосферой. Встреча космических лучей, преимущественно состоящих из протонов, с атомами воздуха приводит к образованию заряженных пионов, которые, в свою очередь, распадаются, в том числе, на мюонные нейтрино с высокой энергией. Поскольку на Луне отсутствует атмосфера, подобные события оказывают незначительное влияние на ее внутреннюю структуру (за исключением нейтрино космического происхождения).
Авторы нового исследования предложили использовать мощный бур для получения необходимых образцов на Луне. Извлеченная порода будет проанализирована системой, использующей современные методы микроскопии. Доставка образцов на Землю нецелесообразна, так как транспортировка может привести к их загрязнению космическим излучением. Поэтому ученые намерены проводить исследования непосредственно на Луне.
Концепция Стенгеля и его команды, как и любой проект, имеет свои сильные и слабые стороны. Однозначным преимуществом является компактность. Вместо массивных и дорогостоящих детекторов, используемых учеными на Земле, таких как японский «Супер-Камиоканде», на Луне можно применять небольшие и более доступные по цене установки. Даже с учетом затрат на доставку на естественный спутник, это может оказаться более экономически целесообразным решением.
Благодаря лунным условиям, для выявления признаков распада протона можно использовать крайне небольшие образцы, затрачивая на их анализ незначительное время. Подобные поиски на Земле невозможны: они ведутся с 1973 года. Изначально попытку осуществили физики Абдус Салам и Джогеш Пати, работавшие в Имперском колледже Лондона.
Среди недостатков стоит выделить сложность реализации подобных проектов. Например, разработка бура представляет собой серьезную задачу. Ранее роботы не использовались для бурения скважин на поверхности других космических тел. Не ясно, как поведут себя подобные установки в условиях лунной поверхности и с какими трудностями могут столкнуться при работе.
Предложенная итальянскими физиками идея представляется скорее концепцией будущего, нежели проектом, реализуемым в настоящее время.