质子衰变是否存在?我们如何寻找它?这是最近提交给arXiv预印本服务器的一项研究希望解决的问题，因为一组国际研究人员正在研究使用月球样本寻找质子衰变证据的概念，质子衰变仍然是一种假设的粒子衰变类型，尚未被观察到，并且仍然困扰着粒子物理学家。

这项研究有可能帮助解决物理学中长期存在的谜团之一，因为它可以为深层次和自然规律的新研究提供动力。

UniverseToday就这项研究与INFN费拉拉分部宇宙学组的博士后研究员PatrickStengel博士进行了讨论，讨论了这项研究背后的动机、重要结果、寻找质子衰变的意义、确认质子衰变存在的意义以及将他们的概念变为现实。那么，这项研究背后的动机是什么呢?

斯坦格尔博士告诉《今日宇宙》，这项研究始于2018年左右，主要作者塞巴斯蒂安·鲍姆博士和其他科学家共同研究使用古探测器，这是一种检查跨越广阔地质时期的粒子的方法。

这引发了与研究合著者JoshuaSpitz博士(他在几篇论文研究了古探测器寻找暗物质的潜力后对古探测器产生了兴趣)和Spitz博士的一名博士生的讨论，讨论如何使用古探测器发现质子衰变的存在。然而，该团队发表了一项研究，讨论了由于大气中微子的存在，在地球上发现质子衰变是不可能的。

“在完成大气中微子论文大约一年后，斯皮茨建议我们考虑月球上的矿物样本，”斯滕格尔博士告诉《今日宇宙》。“由于缺乏大气层，与地球相比，月球上宇宙射线引起的中微子通量受到高度抑制。古探测器中宇宙射线引起的中微子相互作用的相应抑制至少在原则上使质子衰变的搜索成为可能。”

在这项研究中，研究人员提出了一个假设概念，使用古探测器收集月球表面以下5公里(3.1英里)以上的矿物样本，并对其进行分析，以确定是否存在质子衰变(无论是在月球上还是在地球上)。

研究人员指出，这些月球古探测器样本的质子寿命可达1034年。作为参考，宇宙的年龄约为13.7x109年。那么，这项研究最重要的结果是什么呢?

斯坦格尔博士告诉《今日宇宙》：“对于一个既具有足够的放射纯性以减轻放射性背景，又埋藏在足够深的地方以屏蔽其他宇宙射线背景的月球矿物样本，我们表明，古探测器对质子衰变的灵敏度原则上可以与下一代常规质子衰变实验相媲美。”

如上所述，质子衰变仍然是一种假设的粒子衰变类型，由苏联物理学家、诺贝尔奖获得者安德烈·萨哈罗夫博士于1967年首次提出。顾名思义，质子衰变假设发生在质子衰变成小于原子的粒子(也称为亚原子粒子)时。

正如这项最新研究和之前多项研究指出的那样，质子衰变尚未被发现或观察到。然而，据推测，量子隧穿效应可能有助于更好地理解我们的宇宙和生命的起源，因为量子隧穿效应被认为是质子衰变的一个过程。

那么，寻找质子衰变的意义是什么，它的存在对于科学，特别是整个粒子物理学领域有何影响?

斯坦格尔博士告诉《今日宇宙》：“质子衰变是标准模型(SM)以外的粒子物理理论的通用预测。具体来说，质子衰变可能是所谓的大统一理论(GUT)中仅有的低能预测之一，该理论试图将所有介导SM相互作用的力合并为一种能量极高的力。50多年来，物理学家一直在设计和构建实验来寻找质子衰变。”

Stengel博士继续说道：“无论是在矿物探测器还是更传统的实验中，质子衰变的发现都会对整个科学，尤其是粒子物理学产生不可思议的影响。这一发现将是标准模型之外粒子物理学的首次确认。根据质子衰变信号的表征程度，我们可以了解一些有关自然基本理论的知识。”

如上所述，这项研究提出的假设概念是使用古探测器探测月球上的质子衰变，这需要在月球表面以下至少5公里(3.1英里)处采集样本。作为参考，人类迄今为止从月球表面下方采集的最深样本仅略低于300厘米(118英寸)，即从阿波罗17号宇航员那里获得的钻芯样本。

地球上最深的人造洞是俄罗斯北部的科拉超深钻孔，其真实垂直深度约为12.3公里(7.6英里)，需要钻几个洞并耗费数年时间才能实现。虽然该研究指出，在月球上使用古探测器的提议概念“显然是未来主义的”，但需要采取哪些步骤才能将这一概念从未来主义变为现实?

斯坦格尔博士告诉《今日宇宙》：“由于我们非常谨慎，不会偏离我们各自的粒子物理学专业领域太远，所以我们选择不对在月球上进行此类实验的实际后勤工作进行过多的猜测。然而，我们也认为这个概念是及时的，因为不同国家的各种科学机构都在考虑重返月球并规划广泛的实验计划。”

Stengel博士继续说道：“正如您所提到的，矿物样本需要从月球地壳至少约5公里深处提取。因此，需要有一个能够到达如此深度的钻井机运送到月球并在月球上操作。虽然这个后勤挑战似乎令人生畏，但我们指出，例如，NASA设想最终将足够大的有效载荷作为Artemis计划的一部分运送到月球。”

如上所述，这项研究正值NASA的Artemis计划50多年来首次将宇航员送上月球表面，目标是让第一位女性和有色人种登陆月球表面。此外，随着科学界对古探测器的兴趣不断增长，这项研究提出的概念可能被证明具有科学上的益处，不仅可以发现质子衰变，而且可以让我们更好地了解我们在宇宙中的位置。最后，事实证明，只需要一个小样本就可以使这个提出的概念值得。

斯坦格尔博士告诉《今日宇宙》：“由于古探测器在十亿年的时间尺度上暴露于质子衰变，因此只需要一公斤目标材料就可以与传统实验相媲美。结合科学动机和最近推动人类重返月球进行科学探索的推动力，我们认为古探测器可能代表质子衰变研究的最后前沿。”

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