质子之死：粒子衰变如何推出万有理论
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圖源：malwarebytes
三個粒子組成了宇宙中所有熟悉的物質(zhì)，從冰冷系外行星的渾濁鹽水到遙遠星系的深沉藍色或熱烈紅色行星，我們在這個世界上或其他任何地方看到的一切，都是由相同的幾種成分組成的。
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這幾種成分貫穿了整個宇宙星系結(jié)構(gòu)，它們是上夸克，下夸克和電子。但這只是粒子物理標準模型中十二個物質(zhì)粒子中的三個。這是宇宙中最令人困惑的特征之一。
藝術(shù)家印象中行星接近黑洞時的概念圖。質(zhì)子衰變意味著在遙遙無期的未來，其他一切都分析崩離后，僅黑洞會保留。
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所有事物都可以由一小組粒子創(chuàng)建時，為什么世人似乎對其他九個粒子如此陌生呢？似乎缺少了一些東西，我們面前有一些東西是看不到的。
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標準模型1
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歸檔到標準模型表中的是六個夸克和六個輕子，這些代表了迄今為止發(fā)現(xiàn)的最小的自然成分。尚不清楚以后是否會有更多物質(zhì)粒子添加到表中，也不清楚這十二個粒子是否就是全部，但它們中的大多數(shù)在生活中沒有存在感。
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我們不知道這9個額外的粒子為什么會歸在表中，它們是否在宇宙的運作中占有重要地位，還是說宇宙起源于粒子池。其中有些粒子的作用會延續(xù)下去，有些則不能。
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上夸克，下夸克和電子共同構(gòu)成了原子的質(zhì)子和中子。原子又結(jié)合起來，形成分子，所有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)（如葉狀地球生命和懶惰的月球體）都由此產(chǎn)生。
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但我們要挖掘的是質(zhì)子。解答質(zhì)子行為的某個疑問可以幫助統(tǒng)一解釋物理力，不僅能揭示現(xiàn)實的本質(zhì)，而且揭示宇宙大爆炸時刻的外觀。
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質(zhì)子由兩個上夸克和一個下夸克組成，其電荷量與電子相同，但符號相反；中子由兩個下夸克和一個上夸克組成。我們已經(jīng)探查了質(zhì)子并將其分裂，以觀察其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，但還有一個關(guān)于質(zhì)子的問題尚未解決。
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質(zhì)子會永遠存在，還是會衰敗？
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包含通過強核力結(jié)合在一起的上夸克和下夸克的質(zhì)子圖
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由于標準模型無法預(yù)測質(zhì)子的衰變，我們不得不借助新物理學(xué)來解釋宇宙現(xiàn)象。科學(xué)家希望這種新的解釋可以定義為萬有理論，宇宙四種力中的三種被證實為單一作用力。
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這是物理學(xué)中一個美好而強大的趨勢，就像電力和磁力的統(tǒng)一，或者電磁力和弱核力的最新結(jié)合一樣，科學(xué)家希望將世界上的所有現(xiàn)象融合在一起。電磁、弱核力、強核力和重力，所有這些都可以用簡單的數(shù)學(xué)描述。現(xiàn)代科學(xué)的夢想是找到一種解釋所有宇宙混亂和糾結(jié)現(xiàn)象的關(guān)鍵理論。萬有理論主要解釋重力以外的所有力量。
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在大爆炸之后不久科學(xué)家就開始研究該理論了。初次爆炸后10-43秒，宇宙燃燒1028K，約1015GeV的能量。在此能量水平下，這三個力可以合并為一個電子核力。即使使用功能最強大的粒子加速器，1015GeV能量也可能高出數(shù)千億倍。太過強烈的能量無法在地球上復(fù)制。
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收集萬有理論證據(jù)的另一種方法是觀察質(zhì)子的分解。
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超高能量中，三股力量相遇。甚至在更高的能量下，重力也可能會與其他三股力量結(jié)合在一起，從而證實萬有理論的存在。探索這些粒子的感覺就像是在數(shù)學(xué)線索包圍中獲得更大，更全面的圖像。
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夸克能夠感受到強大的核力量，輕子卻不能。它們之間的差異意味著夸克可以變成其他夸克，輕子可以變成其他輕子，但是夸克永遠不能變成輕子，反之亦然。兩種類別之間有界限。
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但在萬有理論中，兩種粒子可以相互跨越。質(zhì)子的衰變是可能的，因為夸克可能衰變成輕子。科學(xué)家預(yù)測，如果質(zhì)子確實分解，它將衰變成正電子和中性介子。但這些粒子的總質(zhì)量將遠低于原始質(zhì)子的質(zhì)量。因此，由于E =mc2，相應(yīng)的能量將被釋放，只要技術(shù)足夠靈敏就可以檢測到。
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圖源：pixabay
我們在地底下準備了大桶純凈的蘇打水，提供一個安靜的空間，可在其中觀察中微子和質(zhì)子的壽命。質(zhì)子衰變釋放的能量埋在厚厚的粒狀地球下，它發(fā)射的輻射可由光電倍增管捕獲。
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這是一種可能改變我們對宇宙的理解的短暫現(xiàn)象，如此細微且短暫現(xiàn)象居然可以揭示我們身邊世界深刻的真相，這實在令人驚異。質(zhì)子衰變的瞬間，便是一次科學(xué)革命。
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然而，這一改變世界的現(xiàn)象卻難以目睹，原因在于目前估計質(zhì)子的半衰期為1034年，可能高達1037年。經(jīng)過這段漫長的時間，所有質(zhì)子，以及我們所知的所有復(fù)雜的物質(zhì)結(jié)構(gòu)都將分裂并從宇宙中消失。那是一個黑暗的宇宙：只有在某一點上充滿了持續(xù)不斷的黑洞，光子或電子仍在辛苦地旋轉(zhuǎn)。
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圖源：Chukman So / CERN
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藝術(shù)概念圖顯示了一條被捕捉的反物質(zhì)射線。在大爆炸之時，物質(zhì)和反物質(zhì)本來應(yīng)該數(shù)量相等，但我們這個充滿物質(zhì)的世界顯示出兩者之間明顯的差距。在萬有理論中，通過假想的X和Y玻色子以及對應(yīng)的反X和Y玻色子的存在解開了這個謎團。
這是非常罕見的，即使在未來幾十年質(zhì)子確實衰減了，我們可能永遠也看不到它的發(fā)生。不是因為它不存在，而是因為質(zhì)子衰減是隱秘且短暫的。
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但這確實是存在萬有理論的重要證據(jù)。根據(jù)質(zhì)子衰變事件，我們可以將其擴展為解釋所有事物完整而有力的理論。解釋宇宙粒子和力的起源、人類的起源以及我們所經(jīng)歷的一切。
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針對5萬噸地下水的超級神岡探測器實驗仍在繼續(xù)進行。但科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，人類見證質(zhì)子衰變的希望變得越來越渺茫。過去幾年不斷增長的數(shù)據(jù)和發(fā)生的變化無疑使檢測變得更加困難。
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超級神岡探測器及玻璃狀的超純水湖
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但是質(zhì)子衰變太重要了，這是一種肉眼難以察覺的現(xiàn)象。捕獲此過程中輻射的幾率很小，但它們帶來的影響卻是巨大的。在地球的腹部留出一些空間，可以讓質(zhì)子可以在那里存活并在周圍移動。其中某個質(zhì)子的衰變可能會帶你一窺宇宙的基礎(chǔ)數(shù)學(xué)、遙遠的未來科學(xué)，以及對宇宙最深遠過去的理解。
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編譯組：高榮蔚、孔祺琪
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