Поиски протонного распада

Теоретические расчеты в течение некоторого времени подвергались проверке: несколько групп физиков всего мира проводили эксперименты стоимостью многие миллионы долларов. Создание детекторов, достаточно чувствительных, чтобы выявить протонный распад, потребовало дорогостоящих, сложных и современных технологий. Прежде всего экспериментаторам понадобились огромные резервуары, в которых протонный распад должен был происходить. Затем эти резервуары надо было наполнить богатой водородом жидкостью (например, водой или чистящим средством), из которой особым способом были отфильтрованы все примеси и загрязняющие вещества. И самое главное, эти резервуары требовалось зарыть в землю на большую глубину, чтобы уберечь от воздействия космического излучения, обладающего огромной проникающей способностью. Наконец, предстояло сконструировать тысячи высокочувствительных детекторов для фиксации слабых следов субатомных частиц, испускаемых при протонном распаде.

Примечательно, что к концу 1980-х гг. в мире действовало шесть гигантских детекторов, таких как детектор в лаборатории Камиока в Японии и детектор IMB (Ирвайн, Мичиган, Брукхейвен) неподалеку от Кливленда, Огайо. Они содержали гигантские количества чистой жидкости (такой, как вода) — от 60 до 3300 тонн. (К примеру, детектор IMB, самый большой в мире, находится в огромном кубе со стороной 20 м, размещенном в соляной шахте под озером Эри. При любом спонтанном распаде протона в очищенной воде возникнет микроскопическая вспышка, которую уловит один из 2048 фотоэлементов.)

Для того чтобы понять, как эти исполинские детекторы способны измерить продолжительность жизни протона, приведем аналогию с американским населением. Нам известно, что среднестатистический американец может рассчитывать на продолжительность жизни около 70 лет. Но нам незачем ждать 70 лет, чтобы констатировать смертные случаи. Поскольку численность американцев велика, а точнее, превышает 250 млн человек, следует ожидать, что каждые несколько минут кто-нибудь из американцев умирает. Так и простейшая теория Великого объединения SU (5) предполагает, что период полураспада протона должен составлять около 1029 лет, т. е. по прошествии 1029 лет половина протонов Вселенной распадется^[64]. (Для сравнения: это примерно в 10 квинтиллионов раз больше продолжительности жизни самой Вселенной.) Этот срок кажется огромным, тем не менее детекторы должны улавливать даже столь редкие и мимолетные события просто потому, что в каждом таком детекторе очень много протонов. Точнее, в каждой тонне воды содержится более 1029 протонов. При таком их обилии ежегодно можно ожидать распада десятка протонов.

Но сколько ни ждали экспериментаторы, им так и не удалось увидеть неоспоримые свидетельства протонного распада. В настоящий момент более вероятной представляется продолжительность существования протона, превышающая 1032 лет, что противоречит упрощенным теориям Великого объединения, но допускает, что более сложные из этих теорий верны.

Поначалу восторг, связанный с теориями Великого объединения, выплеснулся в прессу. Поиски объединенной теории вещества и протонного распада привлекли внимание продюсеров научно-популярных фильмов и писателей. На телеканале Nova этим вопросам было посвящено несколько показов; об этом написаны популярные книги и многочисленные статьи в научных журналах. Но к концу 1980-х гг. фанфары умолкли. Сколько ни ждали физики, когда какой-нибудь протон распадется, протоны никак не желали содействовать им. В ожидании этого события несколько государств потратили десятки миллионов долларов, и все напрасно. Интерес общественности к теориям Великого объединения начал угасать.

Возможно, протоны все-таки распадаются и теории Великого объединения верны, но теперь физики гораздо осторожнее преподносят их как «окончательные» — по нескольким причинам. Как и Стандартная модель, теории Великого объединения не учитывают гравитацию. Если объединить их примитивным образом, получившаяся теория даст бесконечные, а следовательно, не имеющие смысла величины. Как и Стандартная модель, теории Великого объединения неперенормируемы. Более того, они сформулированы применительно к колоссальным энергиям, когда можно с уверенностью ожидать гравитационных проявлений. Таким образом, сам факт отсутствия гравитации в теориях Великого объединения является серьезным изъяном. Вдобавок их портит загадочное присутствие трех идентичных копий, или семейств, частиц. И наконец, эти теории не могут предсказывать такие фундаментальные константы, как массы кварков. Теориям Великого объединения недостает более масштабного физического закона для определения массы кварков и других констант на основании перво-принципов. В конечном итоге теории Великого объединения также оказываются «филателией».

Главную проблему представляла неспособность поля Янга-Миллса служить «связующим веществом» для объединения всех четырех взаимодействий. Мир «дерева», отображаемый полем Янга-Миллса, оказался недостаточно мощным для объединения мира «мрамора».

После полувекового забытья наступил момент «реванша Эйнштейна».