混沌初开

——质子衰变与重子数起源一、“质子衰变热”的由来

质子会衰变吗？如果质子是不稳定的，则木星上的质子衰变就会引起木星辐射。从而由木星的发射强度可以估算出质子平均寿命的下限，估算结果是 1018 年。1954 年，莱因斯（F．Reines）、哥德哈伯（M．Goldharber） 首次对质子衰变进行了实验探索，结果断定质子寿命至少大于 1022 年。随后，日本、印度、美国和欧洲的一些研究小组，先后投入质子衰变的实验探索，从公布的结果看，一般认为质子的寿命为τ=1×1032±2 年。整整 30 年过去了，尽管至今仍然没有发现一个公认的质子衰变事例，质子衰变问题一直处于若明若暗的混沌状态之中。然而，人们对这一课题的兴趣与日俱增。从 70 年代末期以来，相继又有一些小组投入探测行列，实验规模越来越大，水平越来越高，广大粒子物理学家和宇宙学家都以急切的心情， 关注实验的进展，人们希望能从新的实验事实中，迎来“混沌初开”的局面。

为什么在极大科学（宇宙学）和极小科学（粒子物理学）这两个不同领域中同时出现“质子衰变热”呢？宇宙学必须解释粒子的宇宙生成问题， 即观测宇宙中的重子—反重子不对称的问题；而质子衰变是粒子物理“大统一模型”的自然结果。如果质子确实存在衰变，那么，大统一理论基本设想的正确性就有了实验基础，进而为大爆炸宇宙学中的粒子生成提供了理论基础。这样，人们可把大爆炸时的早期宇宙，作为大统一模型特殊的“实验室”，使极大与极小的两门学科紧密地联系起来。有理由期待，由于它们的相互渗透和汇合，将导致这两门学科有突破性的进展。另一方面， “重子数守恒”是粒子物理中的一条重要定律①。它的最强有力的证据之一是，质子是绝对稳定的。因此，重子数到底是绝对地、严格地守恒，还是有条件地近似地守恒？质子衰变的实验探测，将有最终的判决。总之，解决了质子衰变问题，就有可能解决重子数起源问题。人们一旦对重子数起源有了真理性的认识，人类对于过去、现在和未来将有更多的了解和更丰富的知识。这正是广大物理学、宇宙学和哲学工作者屏息以待地想弄清“质子衰变”问题的动因。