五、质子衰变的实验探索

实践是检验真理的标准。重子数起源说必须等待进一步的观测结果，以判断它的可靠性。质子衰变的实验探索是在当前条件下较为可行的观测项目。

要从实验上探测质子衰变是极不容易的。因为质子寿命极长，衰变事例极少，加上衰变后的产物不易探测和甄别，此类实验绝非易事。全部实验必须具备如下条件：第一，要有足够多的观测物质，假设质子寿命为 1031 年，当我们守望池中 4000 吨水时（约含质子和中子 2．5×1033 个），每月可以期望看到 20 个衰变事例。扣除其他效应，能够观察到的大概只有一半。因此必须有大量的监测物质。（除 H2 外，一切物质中都含有将近一半的中子。中子也是由夸克组成的，也会由于其中的夸克传递一个 X 粒子而衰变。在一切“质子衰变”实验中，也计入了这样的中子衰变。）第二，必须排除宇宙线的干扰。即实验必须深潜在地下或海底进行，利用土层或海水来防止宇宙射线，但宇宙线中有高能μ子和中微子，μ子的穿透力很强，仍有一部分深入地下，而中微子几乎可穿透地球而毫不衰减。按大统

一理论，质子衰变最经常的可能方式为 p→π0+e+。π0 又会立即衰变为两个γ光子。我们可从测定装置内的某一点上突然放出一个 e+和两个γ的现象而观测到。可是，如果宇宙线中的中微子被质子吸收而发生p + v _e→n

+n0+e+那样的过程，我们就难于辨伪了。因此，第三，要有一套能利用质子衰变产物的径迹和能量等特征来鉴别信号真伪的装置。

最早的实验是莱因斯和哥德哈伯于 1954 年进行的。他们用了 50 公斤闪烁体，质子和中子的总数约为 3×1028 个。如果有一个质子衰变为 e+和π0，那么每个粒子的能量应接近于 500MeV，其中π0 又很快衰变为高能γ 光子。这些高能粒子在闪烁体中运动时会使闪烁体发光。用光电倍加管接受这些光信号可以计算出高能粒子的运动轨迹和能量，从而可以把质子衰变和宇宙射线的干扰区别开。为了减小宇宙线的影响，实验是在一个 30 米深的地下室进行的。该实验运行了几小时，每秒钟有几次闪光，但分析结果认为这些闪光都是宇宙线引起的假信号，未发现一个质子衰变事例。由此可以断定质子寿命至少大于 1022 年。

与当前正在进行的几组实验相比，1954 年的首次实验，在规模上实在太小了。目前的质子衰变实验大体可分为两类：

一类用水作观测物质。高能的带电粒子在水中运动时，只要其速度大于水中的光速就要发光（切伦科夫效应）。在非常纯的水中，光的传播距离可达数十米，比粒子的射程长得多，因此可以用较少的仪器来监测较多的物质。目前最大的实验是在美国俄亥俄州的一个 600 多米深的盐矿内进行的。这个研究组由加利福尼亚大学欧文分校、密执安大学、布鲁克海文国家实验室以及美国、英国、波兰的一些其他大学的人员组成，带头人是莱因斯。探测器的中心是 17×18×23m3 纯水，矩形体的六面围以 2048 只光电倍加管，每只直径为 12.5cm，依此探测 e+和两个光子在通过纯水时的切伦科夫辐射，经过 130 天的连续观察，未测到一个衰变事件。1983 年他们宣布，质子衰变的平均寿命的下限为

τ＞6.5×1031 年

另一类以铁或混凝土为监测物质。铁比重大，因而同样多的核子数的铁占地较小。但铁不透明，没有切伦科夫效应可资利用，只能直接探测衰变产生的次级粒子。由于这些粒子在铁中的射程只有几个厘米，因此，实验装置须做成一层铁、一层探测器相间叠合起来。这种装置中单位重量物质所用的探测器和电子系统比前一类多得多，所以这类装置一般都在 100 吨以上。一个典型的实验，正由日本东京大学和印度的科学家合作在印度的科拉尔金矿 2300 多米深的地下进行。1982 年夏天，这个组宣布，认为发现了三个质子衰变事例，而且定出质子的寿命为

τ=7×1030 年。

还有欧洲组，他们在意大利、法国边境的阿尔卑斯山脉勃朗峰的隧道中进行实验。1983 年，欧洲组也宣称观测到一个衰变事例。

最简单的 SU（5）大统一理论预言，质子衰变的平均寿命不大于 2.5

×1031 年。至 1983 年，印度的“金矿”组的实验数据支持了 SU（5）模型，但美国的“盐矿”组的结果却与 SU（5）相悖。人们普遍认为，从实验规模、观测方法和统计精密上看，美国“盐矿”的实验比较可信，而“金矿” 的实验比较粗糙，其结果并不令人信服。

据报导，1984 年元月初在美国尤他州召开的一次会议上，印度、美国

俄亥俄州、日本、瑞士和美国尤他州共五个实验组，公布了有关质子衰变的实验数据。其中在日本神冈的某矿井中的实验组比较肯定地宣布，他们发现了两起质子衰变事例。印度“金矿”组报告了他们又发现一个新的事例，从而把他们认为可能是质子衰变事例增加到四个。但是，俄亥俄“盐矿”组还是持否定态度。他们报告说，在 200 天的工作中共有 170 个衰变现象被记录，但所有这些现象又都可以归因于中微子引起的假信号。他们得出的结论是，质子的平均寿命大于 2×1032 年，因此，质子能否衰变，仍然是一个悬案。不过，可解释为质子衰变的事例已在增加。