质子会衰变吗？

其实质子会衰变吗？的问题并不复杂，但是又很多的朋友都不太了解，因此呢，今天小编就来为大家分享质子会衰变吗？的一些知识，希望可以帮助到大家，下面我们一起来看看这个问题的分析吧！

首先，让我们看看为什么标准模型声称质子是稳定的。这一切都取决于守恒定律。守恒定律规定，某些属性无论如何都不会改变。当谈论质子衰变时，三个特定的守恒量很重要：电荷、能量和重子数。

我们都熟悉电荷，电荷守恒意味着衰变后的电荷量必须与衰变前相同。能量守恒有很多含义，但关键的一个与爱因斯坦方程E=mc 有关，该方程指出能量和质量是相同的。对于粒子衰变，能量守恒意味着粒子只能衰变成更轻的粒子。

不太为人所知的是重子的数量，即由三个夸克组成的粒子。质子和中子各含有三个夸克，所以质子和中子都是重子，但重子有很多种。重子数非常简单。每个重子的重子数为+1，反物质重子的重子数为-1。要找到总重子数，只需将它们加在一起即可。例如，在大型强子对撞机中，当两个重子数为+1的质子碰撞时，碰撞前的重子数为+2。碰撞后，无论产生多么混乱和复杂的粒子，重子数仍然是+2。

根据标准模型，重子数、电荷和能量都是守恒的。还有更多守恒量，但我们只关注这三个。例如，在中子衰变的情况下，中子变成质子、电子和电子反中微子。由于质子和中子的重子数均为+1，因此衰变前后重子数守恒。由于中子电荷为零，质子带正电荷，电子带负电荷，反中微子不带电荷，衰变前电荷为零，衰变后电荷也为零，这与电荷守恒定律一致。就能量而言，当我们将质子、电子和反中微子的质量加在一起时，它不可能大于中子的质量。

现在让我们考虑质子衰变，为此我们首先需要引入两个粒子。第一个粒子是正电子，它是电子的反物质对应物。正电子带有正电荷，质量约为质子的0.05%。因为正电子不是重子，所以它的重子数为零。第二种粒子是介子，它不带电荷，质量约为质子的15%。而且，它不是重子，所以它的重子数也为零。最后，有一个重要的事实：质子是最轻的重子。

标准模型指出任何衰变都必须遵守电荷、能量和重子数守恒。因此，如果一个重子数为+1、电荷为正1、质量固定的质子衰变成一定数量的粒子，那么这些粒子的总质量不可能大于质子的总电荷。等于加一，总重子数为+1。但问题是，质子是最轻的重子，因此它衰变成的任何重子都会比质子重，这将违反能量守恒定律。因此，根据标准模型，质子不会衰变，因此是稳定的。

然而，在标准模型的一些替代方案中，其中一些守恒定律被放松。例如，这些模型经常说质子可以衰变成正电子和 介子。我们看到，在这种类型的衰变中，电荷是守恒的，并且衰变后粒子的质量不大于衰变前的质量。因此，基于电荷和能量的原因，可能会发生质子衰变。另一方面，我们看到，衰变之前，重子数为+1，衰变后为0。这种衰变在标准模型中是被禁止的，但在标准模型的一些可能的替代方案中是允许的。因此，观测质子衰变将是新物理理论的重要验证。

第三，我们知道质子不会衰变得太快。如果是这样的话，原子就不会存在，我们也不会在这里。幸运的是，这些新的替代理论表明质子的寿命很长。即使在20 世纪80 年代，当这些理论还很新鲜时，质子寿命的预测也约为10^31 年。宇宙已经存在了大约137 亿年，而质子的寿命比宇宙存在的时间要长得多。

但粒子衰变是一个统计过程，如果有足够的质子，我们就会观察到一些过早的衰变。据计算，3万吨水大约含有10^31个质子。 SuperK检测器就是这样一个装满超纯水的圆柱形水箱。 1996 年，SuperK 科学家打开探测器并开始寻找衰变的质子。尽管他们对中微子进行了多次测量，但他们还没有看到任何一个质子衰变。据此，研究人员得出结论，如果一个质子衰变，它的寿命应该大于210^34年。

那么，这是否意味着质子不会衰变？我们只能说它们不会迅速衰变成正电子。我们需要建造更大的探测器来看看质子的衰变时间是否比这更长。今天，关于质子衰变的研究仍在继续。

不代表中国科学院物理研究所立场