Вы очень удивитесь, когда узнаете «срок годности» электрона

Основы физики предполагают, что электроны практически бессмертны. Но недавно был проведен замечательный эксперимент, которому удалось опровергнуть это фундаментальное предположение. Правда, узнав его результаты, вы наверняка обхохочетесь: пересмотренный минимальный «срок годности» электронов составил 60 000 йотталет (!) — это в пять квинтиллионов раз больше возраста нашей Вселенной.

Йоттагоды

Электрон — самая легкая субатомная частица, переносящая отрицательный электрический заряд. Он не имеет известных науке составляющих, поэтому считается базовым строительным блоком Вселенной, элементарной частицей.

Международная группа ученых, работающих над экспериментом Borexino в Италии, искала признаки распада электронов на более легкие частицы, но, как и ожидалось, ничего не нашла. На самом деле, это неплохо, потому что подтверждает то, что физики давно подозревали. Если бы они обнаружили, что электроны распадаются на фотоны и нейтрино — частицы с еще меньшей массой — это бы нарушило закон сохранения электрического заряда. Такое открытие указало бы в направлении совершенно новой физики за пределами Стандартной модели.

Однако этой же команде ученых удалось сделать самое точное измерение «срока жизни» электронов. Их расчеты показали, что частица, существующая сегодня, будет существовать еще 66 000 йотталет (6,6 х 10^28 лет), а это примерно в пять квинтиллионов раз больше возраста Вселенной. Детали этой работы появились в научном журнале Physical Review Letters.

Вот как объясняется этот экстремальный пируэт:

«Borexino состоит из оболочки на основе масляной жидкости, которая загорается, когда нейтрино — почти безмассовая нейтральная частица — выбивает электрон из одного из атомов в жидкости. 2000 фотоумножителей детектора усиливают излученный свет. Ученые определили чувствительность детектора к фотонам, произведенным гипотетическим распадом электрона на фотон и нейтрино. Затем они искали фотонные «события» ниже этого фона с энергией порядка 256 КэВ, соответствующей половине массы покоя электрона».

После 408 дней прочесывания данных они не нашли ничего. Но им все же удалось определить среднюю жизнь электрона.

Новый нижний порог

Конечно, все это не означает, что электроны проживут так долго. Во-первых, Вселенной за это время уже не станет, скорее всего. И даже если она будет — скажем, после сценария Большого Разрыва — фундаментальные свойства частиц вроде электронов, скорее всего, будут совершенно другими.

Второе, и более важное, заключается в том, что новые измерения сдвинули прежнюю оценку нижней границы «продолжительности» электрона. Новое значение в 100 раз больше предыдущего нижнего порога, который был определен в рамках похожего эксперимента в 1998 году. Теперь известно, что если такая реакция должна произойти, то меньше одного раза в каждые 6,6 х 10^28 лет.

Никаких признаков распада

Причина ужасно долгой продолжительности должна как-то соотнестись с тем фактом, что ученые не уверены целиком и полностью в том, что электроны обладают иммунитетом к распаду. Наблюдения, сделанные учеными Borexino (или, скорее, их отсутствие), предполагают, что поскольку мы не видели распада электронов, их срок жизни должен быть не меньше того, что предполагают новые расчеты.

Шон Кэрролл, профессор кафедры физики Калифорнийского технологического института, так объяснил это в письме Gizmodo:

«Распад — это естественный процесс в физике частиц; тяжелые частицы, как правило, распадаются на более легкие. Нейтрон, предоставленный сам себе, к примеру, распадется на протон, электрон и антинейтрино в течение нескольких минут. Это такая версия распада радиоактивных ядер вроде урана в исполнении элементарных частиц.

Но есть вещи, которые, кажется, никогда не произойдут, которые мы описываем законами сохранения. К примеру, суммарный электрический заряд не изменяется. Кроме того, «барионное число» (общее число протонов плюс нейтроны минус число антипротонов плюс антинейтроны) и «лептонное число» (электроны плюс нейтрино минус их античастицы) — тоже. Перед распадом у нас есть один нейтрон, заряд которого = 0, барионное число = 1, а лептонное число = 0. После распада заряд также = 0 (протон = +1, электрон = -1, антинейтрино = 0), барионное число = 1 (протон = 1, электрон и антинейтрино = 0) и лептонное число = 0 (протон = 0, электрон = 1, антинейтрино = -1).

Барионное и лептонное число никогда не менялись ни в одном из экспериментов — такое событие стоило бы Нобелевской премии — но в теории мы полагаем, что их изменения возможны и, возможно, происходили в ранней Вселенной. (Это могло бы помочь нам объяснить, почему в современной Вселенной больше материи, чем антиматерии)».

Но никто не ожидает, что изменится заряд. Эта величина решительно сохраняется.

Если бы электрический заряд не сохранился, это было бы очень и очень удивительное событие. Поэтому все думают, что электроны не распадаются».

Кэрролл говорит, что частицы, которые легче электронов, электрически нейтральны: нейтрино, фотоны, глюоны, гравитоны. Если бы существовали другие легкие заряженные частицы, мы бы их обнаружили к настоящему времени. Все указывает на то, что электрону не на что распадаться.

«Но искать непременно стоит! Это лотерейный билет — маловероятно, что вы что-нибудь найдете, но если найдете, то разбогатеете, — говорит Кэрролл. — К сожалению, никто ничего не нашел, но нулевые результаты — важная часть хорошей науки».