Итальянские физики выдвинули новый подход к поиску признаков распада протона. Ученые предлагают пробурить лунный колодец глубиной пять километров для извлечения образцов породы, сохраняющих информацию о данном событии. Успешная миссия позволит сблизить противоречащие друг другу физические теории.
Современная физика основывается на так называемой Стандартной моделиМодель описывает электромагнитное, слабое и сильное взаимодействия всех известных элементарных частиц. Она хорошо согласуется с большинством экспериментов и дает верные и точные предсказания. У модели есть недостатки: она не предлагает полную картину физического мира. В частности, модель не способна объединить квантовую механику с теорией относительностиТеория Альберта Эйнштейна о четвертом фундаментальном взаимодействии – гравитации.
Так, например, согласно Стандартной модели, протонПротон, одна из трех элементарных частиц, составляющих обычное вещество (другие — нейтрон и электрон), по некоторым теориям должен быть стабильным и жить вечно. Другие же физические теории утверждают обратное о протоне. должен распадаться на другие частицы, хотя и редко.
Распада протона пока лишь гипотеза. Такое явление на Земле пока не наблюдалось, то есть не получило экспериментального подтверждения. Находка доказательств распада протона могла бы привести к объединению противоречащих друг другу физических теорий в единую. Теорию Великого объединения.
Под руководством Патрика Стенгеля из Национального института ядерной физики в Ферраре итальянские физики представили свой подход к решению этой проблемы. Ученые предлагают искать признаки распада протонов по микроскопическим дефектам в кристаллической структуре материала, создающим заряд каоны — мезоны, состоящие из антикварка и кварка.
Каоны рождаютсяВ столкновениях протонов с протонами и ядрами при высоких энергиях первичных протонов образуются мезоны. По активности этих мезонов можно отследить распад протона. Ученые считают, что подобные исследования следует проводить не на Земле, а в лунном грунте, в плотных древних породах, способных сохранять следы заряженных частиц.
В статье, опубликованной на сайте электронного архива препринтов arXivУченые подчеркнули, что густая лунная порода может хранить следы распада протона в виде химических изменений минерального состава. оливинОливин является одним из главных минералов лунного грунта. Моделирование показало, что в образце оливина из лунной породы возрастом миллиард лет, должно быть пять катионов на килограмм материала.
Учёные считают, что отметки разложения протона должны остаться в сердце спутника Земли, на глубине не менее пяти километров. Такая глубина обеспечит невозможность перепутать следы этого события с аналогичными реакциями, вызванными высокоэнергетическими нейтрино.
На Земле нейтрино создаются при столкновениях космических лучей с атмосферой. Протоны из лучей взаимодействуют с атомами воздуха, порождая заряженные пионы. В процессе распада пионов образуются высокоэнергетические мюонные нейтрино. Луна не имеет атмосферы, поэтому подобных событий на ее поверхности крайне мало (за исключением космических нейтрино).
Для получения образцов авторы исследования предлагают отправить на Луну мощный бур. Извлеченную породу проанализирует система с применением передовых методов микроскопии. Транспортировка образцов на Землю нецелесообразна из-за рисков загрязнения космическими лучами, поэтому ученые предлагают изучать их непосредственно на Луне.
Концепция Стенгеля предлагает компактные установки вместо массивных и дорогостоящих земных детекторов, таких как «Супер-Камиоканде». Даже с учётом транспортировки на Луну, такой вариант может быть более экономичным.
Для обнаружения признаков распада протона на Луне можно исследовать крошечные образцы, затрачивая мало времени. На Земле это невозможно: поиски ведут с 1973 года. Первую попытку предприняли физики Абдус Салам и Джогеш Пати из Имперского колледжа Лондона.
Проекты такого типа сложны для реализации. Например, разработка бура представляет собой серьезную проблему. Люди еще не использовали роботов для бурения скважин на поверхности других космических тел. Неизвестно, как подобные установки будут функционировать на лунной поверхности и какие трудности им могут возникнуть в процессе работы.
Идея итальянских физиков кажется больше чем футуристической концепцией, подходящей для будущего, нежели реалистичным решением для нашего времени.