5 km w głąb Księżyca może być zapisana przyszłość Wszechświata

Zastanawialiście się, co stanie się z kosmosem, gdy przestanie istnieć Słońce, zgasną wszystkie gwiazdy w Milkomedzie (wyniku połączenia się Drogi Mlecznej z galaktyką Andromedy za kilka miliardów lat), a może jeszcze innej galaktyce, która powstanie w wyniku dalszego łączenia się z innymi obiektami. Jeśli nie, to nie ma się co temu dziwić, bo to przyszłość tak odległa, że nawet filozofom trudno o niej rozważać. A jednak z naukowego punktu widzenia to przyszłość, która nadejdzie i dobrze byłoby móc coś o niej powiedzieć.

Ważną rolę w tej przyszłości odegrać może proton, a dokładnie jego rozpad do cząstek subatomowych, który jako pierwszy w 1967 roku zaproponował dr Andriej Sakharow. Od tamtego czasu naukowcy poszukują dowodów na rozpad protonu budując coraz większe detektory produktów rozpadu protonu. Na razie bez sukcesu, ale pojawiło się światełko w tunelu, a może być nim analiza próbek wydobytych spod powierzchni Księżyca.

Wnętrze detektora Super-Kamiokande (wypełnionego wodą), którego celem było między innymi poszukiwanie świadectwa rozpadu protonu. (fot: Univ. of Tokyo)

Z bardzo dużej głębokości, bo sięgającej co najmniej 5 km, a przecież nawet na Ziemi taki odwiert jest już bardzo głęboki. Na Księżycu nie wwierciliśmy się dalej niż na 3 metry, co miało miejsce w trakcie misji Apollo 17. Technologiczna przeszkoda byłaby jednak małym problemem, gdyby odwierty faktycznie umożliwiły potwierdzenie rozpadu protonu lub wykluczyć takie zjawisko, co również byłoby sukcesem.

Trwałość cząstek tworzących jądra atomowe

Ograniczmy się do tych najbardziej znanych, tworzących materię taką jak my sami. Neutron to najmniej trwała cząstka, która samodzielnie, czyli poza jądrem atomowym, wytrzyma średnio jedynie 15 minut zanim ulegnie rozpadowi na proton i elektron. Elektron traktowany jest jako cząstka elementarna, która nie może już ulec rozpadowi. A proton? Model Standardowy opisujący materię tworzącą Wszechświat również zakłada, że proton pozostaje stabilny i nie może rozpaść się spontanicznie, bo jest najlżejszym barionem, a musiałby rozpaść się między innymi na barion lżejszy. Natomiast tak zwane GUT, czyli teorie wielkiej unifikacji, rozszerzające ogólnie akceptowany Model Standardowy, dopuszczają hipotezę rozpadu protonu.

Wyobrażenie fizyki obowiązującej w materii w skali atomu.

Jej potwierdzenie pozwoliłoby wprowadzić do fizyki hipotetyczne dziś monopole magnetyczne, nowego typu bozony (cząstki elementarne). Mogłoby wymagać także wykorzystania cząstki Higgsa, którą już odkryliśmy ponad dekadę temu za pomocą LHC, lub sprytnego połączenia znanych już nam zjawisk kwantowych, teorii grawitacji kwantowej, strun i innych.

Niezależnie od tego, który opis potencjalnego rozpadu protonu jest poprawny, przydałby się teoretyczny dowód na to, że taki rozpad jest możliwy. I tu mamy problem, bo szacowany średni czas życia protonu jest niewyobrażalnie dla nas długi. To około 10^34 lat, czyli mniej więcej 10^24 razy dłużej niż istnieje już Wszechświat.

Jak zaobserwować tak rzadkie zjawisko jak hipotetyczny rozpad protonu?

Przede wszystkim ważny jest tu fakt, że podany czas życia protonu to czas średni, co oznacza, że cześć protonów może rozpaść się wcześniej, część później. Rozpady protonu mogły więc już mieć miejsce we wszechświecie lub właśnie zachodzą w naszym otoczeniu. Jednak, skoro średni czas życia jest tak długi, to ewentualny rozpad jest tak rzadkim zjawiskiem, że trzeba obserwować ogromna liczbę protonów, by wykryć choć jeden rozpad. Dlatego mówiąc o detektorach rozpadu protonów mówimy o urządzeniach dużych, w których obserwowane są dziesiątki, a nawet setki i więcej ton materii.

Teoretycznie zbudowanie wystarczająco dużego detektora powinno w końcu doprowadzić do wykrycia choćby jednego takiego rozpadu. Praktyka pokazuje, że nie ma to miejsca, a teraz mamy prawdopodobnie wyjaśnienie. Jeden z jego współautorów, dr Patrick Stengel. twierdzi, że wszelkie obecne próby są skazane na porażkę, gdyż prowadzimy je na Ziemi. A tu istnieje poważne źródło zakłóceń jakim jest atmosfera i powstające w niej, pod wpływem promieniowania kosmicznego, neutrina zwane atmosferycznymi. A wykrycie rozpadu protonu wiąże się między innymi z detekcją zjawisk, w których udział biorą neutrina.

Trzeba więc badania przenieść w miejsce, które jest odpowiednio odizolowane od otoczenia i neutrin atmosferycznych, lub pobrać próbki z takich miejsc. W takim przypadku wystarczyłby bowiem jeden kilogram materii, by dokonać detekcji nawet jeśli średni czas życia protonu przekracza sugerowane obecnie 10^34 lat. I stąd pojawiła się koncepcja 5 km odwiertów pod powierzchnią Księżyca. Próbki minerałów pobrane z tej głębokości, autorzy nazwali paleodetektorami. W nich mają kryć się niejako zastygłe w materii ścieżki rozpadu protonu. Wystarczy odkrycie choćby jednej, by odmienić fizykę, a dokładnie skierować jej rozwój na inne niż dotychczas tory.

Źródło: universetoday, inf. własna, foto wejsciowe: NASA/Apollo17