нестабильность элементарных частиц обозначает что
Нестабильность элементарных частиц.
Квантовой или волновой механике (физике), созданной в течение нескольких лет в двадцатые годы XX столетия, суждено было стать фундаментом современной физики.
Необычность некоторых положений квантовой механики становится более понятной при сопоставлении, сравнении явлений и процессов, происходящих в микромире, с макроскопическими процессами.
B природе существует множество элементарных частиц, большинство из которых являются нестабильными.
Все элементарные частицы можно подразделить главным образом по основному признаку – вид взаимодействия, на 4 класса – фотон, лептоны, барионы и мезоны.
Взаимодействие микромира имеет обменный характер, т.е. осуществляется некоторыми виртуальными частицами. Так, сильное взаимодействие между кварками осуществляется глюонами (8 разновидностей), слабое взаимодействие осуществляется векторными бозонами, электромагнитное взаимодействие – виртуальными фотонами, гравитационное взаимодействие – гравитонами.
Тема 3
ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ
Характеристика видов взаимодействия.
Взаимодействие – причина движения материи, присуще всем материальным объектом.
В физике известны четыре вида взаимодействия: гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое.
Гравитационное – взаимное притяжение любых материальных объектов, передается посредством гравитационного поля, определяется законом всемирного тяготения.
По мере увеличения массы вещества гравитационное взаимодействие возрастает. Гравитационное взаимодействие – наиболее слабое из всех известных взаимодействий. Гравитационное взаимодействие универсальное: все тела, частицы и поля участвуют в нем. Переносчики гравитационного взаимодействия – гравитоны, кванты гравитационного поля. Радиус действия неограничен.
Электромагнитное взаимодействие – универсальное, сильнее гравитационного, радиус его действия неограничен. Существует между любыми телами, обусловлено электрическими зарядами и передается с помощью электрического и магнитного полей. Описывается законом Кулона, законом Ампера в общем виде электромагнитной теорией Максвелла, связывающей электрическое и магнитное поля.
Электромагнитное взаимодействие обеспечивает возникновение атомов, молекул, химических реакций, различных агрегатных состояний веществ, сил упругости, трения. Переносчиками электромагнитного взаимодействия являются фотоны – кванты электромагнитного поля с нулевой массой покоя.
Внутри атомного ядра проявляются сильные и слабые взаимодействия.
Сильное – обеспечивает связь нуклонов в ядре (протонов и нейтронов), и кварков внутри нуклонов, отвечает за стабильность атомных ядер. Сильное взаимодействие передается глюонами – частицами, «склеивающими» кварки.
Слабое – взаимодействие имеется для всех элементарных частиц, кроме фотона.
Переносчиками являются бозоны (промежуточные векторные частицы, с массой в 100 раз больше массы протона).
Концепция дальнодействия и близкодействия.
В истории науки можно выделить два подхода к описанию взаимодействия между темами: дальнодействия и близкодействия.
Согласно концепции близкодействия между телами удаленными друг от друга осуществляется с помощью промежуточных звеньев (среды), передающих взаимодействие от точки к точке с конечной скоростью.
Согласно концепции дальнодействия действие тел друг на друга передается мгновенно через пустоту на сколь угодно большие расстояния.
Большинство физических сил представляют собой силы контактного типа, возникающие при соприкосновении.
В XVII – XVIII вв. решался вопрос о механизме взаимодействия между удаленными телами. В XVII в. И.Ньютон открыл закон всемирного тяготения, согласно которому любые тела притягиваются друг к другу с силой, пропорциональной массе каждого из них и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними.
Этот закон количественно описывает величину взаимодействия и ее зависимость от массы и расстояния. Ученые XVIII в. истолковали всемирное тяготение в духе концепции дальнодействия.
Тема 4
ТЕПЛОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ
Дата добавления: 2018-10-26 ; просмотров: 498 ; Мы поможем в написании вашей работы!
Большинство частиц распадается, а некоторые — нет
Хотя большинство частиц дезинтегрируются, или распадаются, на другие частицы, некоторые из них так себя не ведут. Но почему?
В мире есть много типов частиц, часть из них выглядит элементарными, другие можно построить из элементарных – к примеру, протоны, нейтроны и атомное ядро – но большинство из них распадаются за малую долю секунды. В предыдущей статье я объяснил, почему они распадаются; на самом деле это форма рассеивания, о которой мы имеем интуитивное представление, происходящее из нашего опыта, связанного с волнами и вибрациями. Но почему же несколько типов частиц вообще не распадаются, или, по крайней мере, живут гораздо дольше, чем 13,7 миллиардов лет, дольше возраста Вселенной?
Единственные из известных в природе стабильных частиц – это электрон (и антиэлектрон), легчайший из трёх типов нейтрино (и его античастица), фотон, и предполагаемый гравитон (оба последних являются античастицами сами себе). Другие нейтрино, протон и множество атомных ядер (и их античастиц – тут я прекращаю упоминание античастиц, оно будет подразумеваться), вероятно, нестабильны, но живут очень, очень, очень долго. Протоны, например, живут так долго, что с Большого взрыва их распалось очень малое количество, так что со всех практических точек зрения они стабильны. Другая долгоживущая частица – это нейтрон, который сам по себе, вне атомного ядра, живёт всего около 15 минут. Но внутри атомных ядер нейтроны могут жить дольше возраста Вселенной. Наконец, стоит добавить, что если тёмная материя состоит из частиц, тогда эти частицы тоже должны быть стабильными или очень, очень долгоживущими.
Почему эти частицы стабильны? Оказывается, что в микромире есть правила поведения частиц, неизвестные нам из повседневной жизни, заполненной волнами и вибрациями. Эти законы предотвращают распад частиц, как быстрый, так и медленный. Фундаментальные правила – это законы сохранения, утверждающие, что определённые величины Вселенной не меняются ни в каких физических процессах. Среди них – энергия, импульс, электрический заряд и несколько других. Существует также несколько приблизительных законов сохранения, говорящих о том, что некоторые величины меняются очень редко. Эти законы не появились ниоткуда и не были выдуманы теоретиками на пустом месте. Они связаны с другими свойствами мира. К примеру, если законы природы со временем не меняются, из этого следует (благодаря теореме математика Эмми Нётер), что энергия сохраняется. Мы увидим, что стабильность материи, из которой состоим мы с вами, позволяет неплохо проверить эти законы.
Комбинация этих законов со свойствами частиц даёт нам несколько простых правил, определяющих, когда частицы просто не могут распадаться, или могут распадаться очень редко. И этих правил (почти) достаточно для объяснения стабильности частиц, из которых мы состоим, и частиц, с которыми мы чаще всего взаимодействуем.
Фермионы и бозоны
В мире, в котором работает теория относительности Эйнштейна, у пространства есть три измерения, и работает квантовая механика, все частицы должны быть либо фермионами (названными в честь итальянского физика Энрико Ферми), либо бозонами (в честь индийского физика Сатьендра Нат Бозе). Это утверждение – математическая теорема, а не результат наблюдений. Но данные с последних 100 лет наблюдений её поддерживают – все известные в Стандартной модели частицы, это либо фермионы, либо бозоны.
Пример бозона – фотон. Двум или большему количеству бозонов (одного типа частиц) разрешено делать одно и то же. К примеру, лазер – это машина по созданию большого количества фотонов, делающих абсолютно одинаковые вещи, и выдающая очень яркий свет с очень точно определённым цветом и распространяющийся в определённом направлении. Все фотоны в луче синхронизированы.
Из фермионов лазер сделать нельзя. Пример фермиона – электрон. Два фермиона (одного типа частиц) не могут делать одно и то же одновременно. Поскольку электрон – это фермион, два электрона не могут находиться на орбите атома одинаковым образом. Это связано с принципом запрета Паули, который мы учим на уроках химии, обладающим огромными последствиями для периодической таблицы элементов и для химии. Электроны в атоме занимают разные орбиты, в разных оболочках вокруг атомного ядра, поскольку они не могут все одновременно упасть на одну орбиту – фермионам запрещено это делать. Точнее говоря, только два электрона могут занимать одну орбиту, и только если они вращаются в разные стороны вокруг оси, т.е. имеют разный спин. Если бы электроны были бозонами, химию было бы не узнать!
Среди известных в нашем мире элементарных частиц есть много фермионов: заряженные лептоны, нейтрино, кварки, и много бозонов: все переносчики взаимодействий и частица Хиггса.
Также бозонные поля могут в среднем существенно отличаться от нуля. Фермионные поля такого не могут. Поле Хиггса, ненулевое в нашей Вселенной, дающее массу всем элементарным частицам – это бозонное поле (и его частица – бозон, поэтому и зовётся она бозоном Хиггса).
Кроме того, из бозонных частиц можно сформировать конденсат Бозе-Эйнштейна, предсказанный Эйнштейном в 1920-х, но полученный только в 1990-х, в эксперименте, получившем нобелевскую премию. В таких экспериментах конденсат получают, заставляя большое количество атомов-бозонов пребывать в самом «спокойном» состоянии, доступном квантовому объекту, т.е. атомы находятся в минимально возможных квантовых состояниях, и тогда квантовые эффекты начинают проявляться на макроскопическом уровне.
Всё это относится к квантовой механике. Хотя Эйнштейну не нравились последствия квантовой механики, у вас не должно создаваться впечатления, будто он её не понимал. Наоборот, его работа была критичной для разработки некоторых аспектов квантовой теории.
Законы природы для частиц
Вот главные правила. Жирным шрифтом отмечены их главные последствия для нашей Вселенной.
Законы природы, которые, как считается по основательным причинам, должны выполняться точно
1) Частица должна распадаться на две или более частиц
Поэтому при каждом распаде частиц в природе из одной частицы появляются две или больше частиц. Это следует из закона природы, согласно которому общая энергия и общий импульс должны оставаться постоянными в любом физическом процессе (физики говорят, что «энергия и импульс сохраняются»). И вот почему 1-е правило вытекает из них:
Допустим, частица типа 1 может распадаться только на частицу типа 2. Докажем, что тут есть противоречие. Возьмём частицу 1 и расположим её перед собой в неподвижности. Вся её энергия будет заключена в её массе. Теперь, допустим, она распалась на частицу 2. Закон сохранения энергии утверждает, что
энергия покоя частицы 1 = энергия покоя частицы 2 + энергия движения частицы 2
Поскольку энергия движения положительна, энергия покоя частицы 2 может быть меньшей или равной энергии покоя частицы 1. Но энергия движения частицы 2 положительна, поэтому если энергия покоя частицы 2 меньше энергии покоя частицы 1, значит, частица 2 должна двигаться. Но частица 1 покоилась, поэтому у неё не было импульса. Частица 2 двигается, значит, у неё есть импульс. Но это невозможно – импульс должен сохраняться. Поэтому такой распад невозможен, если только у этих частиц массы не равны друг другу. Но в таком случае, если частица 1 может распадаться на частицу 2, верно и обратное – частица 2 может распадаться на частицу 1. Но это не распад – это просто путаница между двумя типами частиц.
2) Масса распадающейся частицы должна превышать сумму масс полученных при распаде частиц
Энергия покоя частицы 1 = Энергия покоя частицы 2 + Энергия покоя частицы 3 + Энергия движения частицы 2 + Энергия движения частицы 3
Поскольку фотон, как показывают все эксперименты, не обладает массой, он не может распадаться. Поэтому волны света могут пройти через всю комнату, всё пространство от Солнца до нас, и всю Вселенную, совершенно не дезинтегрируясь в пути. Предполагается, что гравитон обладает теми же свойствами.
3) Общий заряд до и после распада сохраняется
Ещё одно сохраняющееся свойство – это электрический заряд. Частица W-, очень тяжёлая и отрицательно заряженная, с зарядом –е, может распадаться на электрон с отрицательным зарядом –е и антинейтрино без заряда. Но W- не может распадаться на позитрон с положительным зарядом +е и нейтрино без заряда, поскольку общий заряд изменился бы с –е на +е. Также W- не может распадаться на электрон с отрицательным зарядом и позитрон (антиэлектрон) с положительным зарядом, поскольку их комбинация дала бы нулевой заряд.
Поскольку электрон – легчайшая из частиц с электрическим зарядом, он не может распадаться ни на что другое. Легче его только нейтрино, фотоны, глюоны и гравитоны, но они электрически нейтральны, поэтому любая их комбинация будет обладать нулевым зарядом. Любая неизвестная частица легче электрона должна быть электрически нейтральна, или же мы легко обнаружили бы её в экспериментах. Поэтому электрон стабилен.
4) Общее количество фермионов до и после распада может меняться только на чётное число
Правило следует из того факта, что угловой момент, также как и энергия и импульс, сохраняется (что объясняет тенденцию вращающихся вещей, к примеру, Земли, к сохранению вращения). Правило запрещает нейтрону распадаться на протон и электрон. Такой распад попадал бы под законы 1, 2 и 3, но не под 4, поскольку все эти частицы – фермионы. Нейтрон распадается на протон, электрон и антинейтрино. Тогда у нас изначально будет один фермион и три в итоге, 3 – 1 = 2.
Нейтрино бывает три типа, и сейчас считается, что у всех них есть масса (у двух – скорее всего, и у третьего – вероятно). Самый лёгкий нейтрино – это легчайший из известных фермионов, но единственные частицы легче его, на которые он мог бы распадаться, это бозоны (фотон и гравитон). Поэтому он и не распадается: нельзя начать с фермиона и закончить бозонами. Он в принципе может быть нестабильным, если существуют ещё более лёгкие фермионы, которых мы пока не встречали – они взаимодействовали бы с обычной материей ещё слабее, чем нейтрино. И мы знаем, что нейтрино живут достаточно долго, поскольку мы видели, как они путешествуют на огромные расстояния от удалённых взрывов звёзд-сверхновых.
Законы природы, которые, как считается по чуть менее основательным причинам, должны почти точно выполняться
5) Разность между общим количеством кварков и общим количеством антикварков при распаде не меняется
В протоне содержатся три кварка, множество глюонов и пар кварков-антикварков, поэтому в протоне количество кварков минус количество антикварков равняется трём. В нейтроне также есть переизбыток из трёх кварков. Поэтому нейтрон, как более тяжёлая частица, может распасться на протон, не нарушая правила 5 – и он так и делает (порождая электрон и антинейтрино).
Но протон – легчайшая из частиц, содержащих больше кварков, чем антикварков, и из этого правила следует, совместно с правилом 2, что он стабилен. Понятно, что протон не может распадаться на любую комбинацию из электронов, фотонов и нейтрино, т.к. они не содержат кварков. Существует несколько адронов (частиц, состоящих из кварков, антикварков и глюонов), в частности, пионы, но они отличаются от протонов и нейтронов тем, что в них содержится равное количество кварков и антикварков. Поэтому тяжёлый протон не может распадаться на любую комбинацию пионов и не-адронов (фотонов, электронов, нейтрино), поскольку у дочерних частиц будет поровну кварков и антикварков, а у родительской частицы это не так. А вот пионы могут распадаться, не нарушая правил; к примеру, электрически нейтральный пион (являясь бозоном) может распадаться на два фотона, а положительно заряженный пион может распадаться на нейтрино и антимюон – что очень полезно для создания лучей нейтрино.
Многие теоретики считают (хотя это не было подтверждено экспериментом), что это правило немножечко нарушается, и протон очень-очень-очень немного нестабилен, обладая при этом чрезвычайно большим временем жизни. Уже более десяти лет наблюдая за огромным количеством протонов, находящихся в огромном баке с водой, в эксперименте Супер-Камиоканде, и не получив ни одного распада, мы знаем, что протон живёт не менее 10 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 лет. Надеюсь, ни одного нуля не пропустил. Возраст текущей фазы Вселенной составляет примерно 13 700 000 000, поэтому в будущем протонов будет достаточно много.
Существуют и другие законы, но большая часть наблюдаемых нами эффектов следует только из перечисленных.
Заключение
Теперь у нас есть правила, позволяющие объяснить:
• почему фотоны стабильны,
• почему электроны стабильны,
• почему протоны стабильны, или живут очень долго,
• почему, по меньшей мере, один тип нейтрино стабилен или живёт очень долго.
Чего вполне достаточно для объяснения обычной материи, химии, солнечного света, множества других процессов в жизни – кроме одного. Что насчёт нестабильного нейтрона?
Нейтрон – штука весьма удивительная. Ничто не запрещает ему распадаться, и он распадается примерно через 15 минут на протон, электрон и антинейтрино. Почему же он так долго живёт? Частично из-за того, что массы протона и нейтрона весьма близки. Хотя масса покоя нейтрона приближается в ГэВ, она лишь на 0,0007 ГэВ больше, чем сумма масс покоя протона, электрона и антинейтрино. А частота распадов становится весьма небольшой, когда суммарная масса дочерних частиц распада получается очень близкой к массе родительской частицы. Это и не удивительно, поскольку правило 2 постулирует, что распад должен полностью прекратиться, если масса дочерних частиц превышает массу родительской.
Но что странно, так это что если поместить нейтрон в атомное ядро, он становится стабильным! К примеру, в гелии есть два протона и два нейтрона. И хотя нейтрон сам по себе живёт четверть часа, ядро гелия может жить столько, сколько существует Вселенная, и ещё дольше. Это верно вообще для всех стабильных элементов периодической таблицы им. Менделеева и их нейтронов. Этот факт является крайне важным следствием Эйнштейновской теории относительности и некоторых особенностей сильного ядерного взаимодействия, и без него у нашего химического мира не было бы никакого разнообразия. Эта особенность заслуживает отдельной статьи.
И, кстати, если тёмная материя состоит из неизвестных частиц – почему они стабильны? Никто точно не знает, но, вероятно, для этого описанных мною законов будет недостаточно. Скорее всего, существует ещё один закон сохранения, точный или приблизительный, который ещё предстоит обнаружить.
Элементарные частицы
Существует множество различных элементарных частиц субатомного уровня.
Наше понимание базовой структуры материи развивалось постепенно. Атомная теория строения вещества показала, что не все в мире устроено так, как кажется на первый взгляд, и что сложности на одном уровне легко объясняются на следующем уровне детализации. На протяжении всего ХХ века, после открытия структуры атома (то есть после появления модели атома Бора), усилия ученых были сосредоточены на разгадке структуры атомного ядра.
Первоначально предполагалось, что в атомном ядре существует только два типа частиц — нейтроны и протоны. Однако, начиная с 1930-х годов, ученые все чаще стали получать экспериментальные результаты, необъяснимые в рамках классической модели Бора. Это навело ученых на мысль, что на самом деле ядро представляет собой динамичную систему разнообразных частиц, чье скоротечное образование, взаимодействие и распад играют ключевую роль в ядерных процессах. К началу 1950-х годов изучение этих элементарных, как их назвали, частиц вышло на передний край физической науки.
Начиная с 1930-х годов ученые занимались изучением воздействия космических лучей на ядра-мишени. Космические лучи представляют собой потоки быстрых частиц (в основном протонов), образующиеся в результате различных процессов во Вселенной и постоянно изливаемые в земную атмосферу. Этим подарком природы в виде дождя частиц с высокими энергиями физики и не преминули воспользоваться. В 1950-е годы были разработаны и построены первые установки под названием «ускорители элементарных частиц», на которых стало возможным одним нажатием кнопки искусственно получать направленные, управляемые потоки быстрых частиц с высокими энергиями. За последующие десятилетия физикам удалось открыть более двухсот различных элементарных частиц.
За исключением протона и электрона все эти частицы нестабильны, то есть очень скоро распадаются на другие элементарные частицы (за пределами ядра быстрому распаду подвержен даже нейтрон). Однако для участия во внутриядерных процессах частице хватает и мизерного времени существования, достаточного для перемещения в пределах границ ядра.
Элементарные частицы подразделяются на два класса:
Лептоны
К классу лептонов относятся частицы, которые, подобно электрону, не участвуют в водовороте внутриядерных взаимодействий. На сегодня известно шесть таких частиц. К одному семейству с электроном относятся мюоны и тау-частицы, которые похожи на электрон, но массивнее его. Обе эти тяжелые частицы нестабильны и со временем распадаются на несколько продуктов, включая электрон. Также имеется три электрически нейтральные частицы с нулевой (или близкой к нулю, на этот счет ученые до конца не определились) массой, получившие название нейтрино. Каждая из трех разновидностей нейтрино парна одной из трех частиц электронного семейства. Слово «лептон» происходит от греческого leptos, что значит «маленький».
Адроны
К адронам относят частицы, существующие внутри атомного ядра. Самые известные из них — это протон и нейтрон, но быстро распадающихся родственников у них сотни (в буквальном смысле). За исключением протона все они нестабильны, и их можно классифицировать по составу частиц, на которые они распадаются. Если среди конечных продуктов распада частицы имеется протон, ее называют «барион» (от греческого barys — «тяжелый»); если же протона среди продуктов распада нет, частица называется «мезон» (от греческого mesos — «средний»). Сам термин «адрон» происходит от греческого hadros («большой»).
Сумбурная картина субатомного мира, усложнявшаяся с открытием каждого нового адрона, уступила место новой простой картине с появлением концепции кварков (см. Кварки и восьмеричный путь). Согласно кварковой модели все адроны (но не лептоны) состоят из еще более элементарных частиц. Барионы состоят из трех кварков, а мезоны — из пары кварк—антикварк (см. Античастицы).
Вышеописанные элементарные частицы являются своего рода строительным материалом атомного ядра — кирпичиками, из которых сложена Вселенная. Другая группа частиц, калибровочные бозоны (к их числу относятся и фотоны), — носители сил, удерживающих элементарные частицы вместе (см. Универсальные теории); это своего рода цемент, которым скреплена Вселенная.
Астрономические времена: 7. Сверхдолгоживущие частицы
Внутренность японского детектора Super-Kamikande: огромный бак со сверхчистой водой и тысячи фотоумножителей, установленные на стенках для регистрации редчайших событий превращения элементарных частиц. Изначально он строился для поиска распада протонов, но его основное направление работы сейчас — изучение нейтрино
Самые кратчайшие промежутки времени, про которые современная физика может сказать что-то достоверное, относятся к жизни элементарных частиц. Поразительно, но и самые долгие времена, доступные эксперименту — тоже относятся к микромиру! И сейчас мы разберемся, почему так получается.
В природе существуют разнообразные нестабильные атомные ядра, в том числе и очень долгоживущие. Времена жизни некоторых из них намного превышают возраст нашей Вселенной, и тем не менее физики способны измерять такие огромные промежутки времени! Рекордсменом тут является ядро теллура-128: его экспериментально измеренный период полураспада составляет 2·10 24 лет, что на четырнадцать порядков (!) превышает возраст Вселенной.
Как вообще можно измерять настолько длительное время, которое не вмещается даже в жизнь Вселенной, не говоря уже про лабораторный эксперимент? Объяснение кроется в двух простых фактах.
Во-первых, элементарных частиц и даже атомных ядер определенного типа очень много. Пригоршня вещества — это примерно число Авогадро молекул. Во-вторых, время жизни нестабильной частицы — это не гарантированное, а лишь среднее ожидаемое время до распада. Каждая конкретная частица может распасться и прямо сейчас, и попозже, а иногда — намного позже, чем номинальное время жизни. Объединим эти два факта, добавим чуть-чуть математики, и получаем простой, но очень важный закон:
если у нас есть N частиц с временем жизни T, то количество распадов за короткое время t ≪ T примерно равно
|
Для того, чтобы хотя бы приблизительно измерить время жизни очень долгоживущей частицы, надо просто собрать много таких частиц вместе и сосчитать количество распадов за разумное время.
Давайте оценим, до каких времен жизни сможет «дотянуться» топовый лабораторный эксперимент. Пусть у нас есть килограмм какого-то редкого изотопа. Килограмм — это чуть больше числа Авогадро, скажем, порядка 10 24 ядер. Мы поместили этот килограмм в сверхчувствительную установку, заэкранировали ее от космических лучей и прочих воздействий, и за год наблюдения зафиксировали всего один-единственный — но зато достоверный! — акт распада. Тогда используя формулу, мы по этому одному событию оцениваем время жизни этого изотопа:
T = | N | t = | 10 24 лет. |
n |
Самый экстремальный пример эксперимента такого типа — это ограничение на время жизни протона. Вообще, по современным представлениям протон полностью стабилен. Но существуют теории, и причем довольно привлекательные для физиков, которые предсказывают, что эта стабильность неабсолютна и что спустя очень большое время протон распадется на позитрон и фотоны. Поэтому физики давно уже начали ставить эксперименты по поиску хоть каких-то следов распада протона.
В отличие от редких изотопов, протоны есть везде, причем в изобилии — ведь это ядра атомов водорода. Поэтому можно взять сколько угодно подходящего вещества и поставить эксперимент гигантского масштаба. Ограничивает эти фантазии лишь несовершенство детектирующей аппаратуры и невозможность полностью избавиться от побочных эффектов. Тем не менее, детекторы получаются очень впечатляющие. Например, специализированный японский детектор Super-Kamiokande, который был изначально построен как раз для поиска распада протона, представляет собой 40-метровый бак, заполненный 50 тысячами тонн сверхчистой воды и напичканный тысячами светочувствительных элементов. Такой объем воды содержит 6·10 33 отдельных протонов. Так вот, если такой детектор проработает, скажем, 10 лет и не зарегистрирует ни одного события распада протона — а при этом мы уверены, что каждый такой распад был бы замечен, — то мы сможем установить ограничение снизу порядка 10 34 лет. Слова «ограничение снизу» означают, что по результатам нашего эксперимента мы не можем точно сказать, стабилен протон или нет, однако даже если он нестабилен, его время жизни заведомо превышает это ограничение.
Реальные ограничения на распад протона примерно такими и получаются — чуть больше 10 33 лет. Вдумайтесь только — это на 23 порядка больше, чем возраст Вселенной! За всю жизнь Вселенной не протикало столько секунд, сколько нынешних «возрастов Вселенной» должно протикать, прежде чем протоны начнут активно распадаться. И тем не менее, современная физика способна чувствовать такие безумно долгие времена!