33. 质子为什么不衰变？Does the proton decay?

对任何物体，人类都可以对其进行不断分割。现在我们知道任何物体都由原子组成，原子由电子和原子核组成，而原子核由质子和中子组成。所以就存在一个基本问题，那就是有没有存在不能再被分割的粒子，称为基本粒子。

图1 原子的结构

然而按照“分割”这个逻辑，基本粒子就应该是没有更小内部结构的粒子，而且基本粒子必须能够稳定存在而不会再衰变为其他更小的粒子。比如电子，电子就是基本粒子，目前没有发现电子的内部结构而且电子非常稳定，也从来没有发现电子衰变为更小(质量)的粒子。

那么质子是不是基本粒子呢？显然根据在描述物质的基本成分方面非常成功的标准模型，质子存在内部结构，也就是质子由比质子更小的夸克组成。根据万有理论(In a theory of everything )，组成质子的夸克可以转变为轻子，所以质子按道理应该可以衰变为更小的粒子比如夸克或其他更小的粒子，但问题是质子却出乎意料地表现出基本粒子的稳定属性，它非常稳定存在似乎从来都不会发生任何衰变！

图2 质子的结构

非常稳定的质子让我们回过头来怀疑电子会不会不是基本粒子，因为质子的正电荷量和电子相同，但它是由三个夸克组成，那么夸克的正电荷量应该为电子的三分之一的整数倍，这样带三分之一负电荷比电子还小的粒子应该也存在，但问题是至今没有发现比电子电量更小的带负电的粒子。

那么我们是相信质子是基本粒子而否认夸克的存在呢，还是相信电子就不是基本粒子，也就是存在比电子电荷量更小的带负电的粒子？所以自由的质子(也就是化学中导致强酸性的著名的氢离子H⁺)为什么从不衰变的问题非常令人迷惑。

根据粒子物理的理论，任何不是基本粒子的粒子都会发生衰变过程，比如把中子从原子核里拿出来不到十五分钟，中子就会衰变成一个质子，一个电子和一个中微子。但对质子而言，它却可以稳定地自由存在于客观世界中，人类也从来没有看见过它的衰变过程。实验表明，质子的寿命必须大于10的34次方年，也就大于是1后面跟着34个0年。然而宇宙才只有138亿年的历史，大约是1后面跟着10个0而已。所以从统计平均而言，质子的寿命不仅比每一颗恒星、星系和行星都长，如果宇宙大爆炸正确的话，质子的寿命从统计意义上竟然比宇宙的年龄都要大。这显然让人不可思议，总感觉必然哪里一定存在不为我们所知的问题。

图3 中子的衰变过程

然而至今没有任何理论和守恒定律要求质子必须稳定存在，而且有些非常成功的物理大统一理论的成立要求质子发生衰变，而且预言质子会通过两种方式衰变为轻子(比如电子)。

为了验证质子到底衰不衰变，怎样衰变，最好的方式就是实验观测。为了观测质子衰变，必须要让质子远离任何干扰，比如宇宙射线，所以实验室必须放在一个屏蔽的环境里或放在很深的地下。日本正在进行的超级神冈实验，就是在矿井中一个装有5万吨水的巨大水箱中进行。另一个深地中微子实验，则放在美国南达科他州的一个前金矿矿井下，装置由4万吨液态氩组成。由于这两个实验基于不同类型的原子，它们对质子可能衰变的不同方式很敏感，这将能进一步揭示哪种大统一理论是正确的。

图4 观测质子衰变的实验室

但直到现在也没有观测到质子的衰变，稳定的质子对于我们世界的形成到底有多大的意义？这个世界为什么需要质子作为稳定的粒子存在？质子的稳定存在在为我们暗示粒子物理背后还存在怎样的规律没有被发现？