آشکارساز مستقر در معدن نمک

معدن نمکی که در عمق 600 متری در زیر زمین‌های کلیولند قرار دارد چون شکارگاهی قرق شده است تا یکی از عظیم‌ترین شکارهای تاریخ پژوهش‌های فیزیک، به دام انداختن پروتون‌های واپاشنده، در آن انجام گیرد. دانشمندانی که از ایروین (دانشگاه کالیفرنیا)، میشیگان و آزمایشگاه ملی بروک هیون گرد هم آمده‌اند، هیچ نشانه‌ای از واپاشی پروتون به پوزیترون و پیون خنثی، که محتمل‌ترین نوع واپاشی برای پروتون است، مشاهده نکرده‌اند. این گروه از آشکارساز بسیار بزرگی استفاده می‌کنند که در آن مکعبی از آب به وزن 8000 تن، وزن یک ساختمان 6 طبقه، به کار رفته است.
برای مشاهدۀ اتفاق نادری مانند واپاشی پروتون باید نمونۀ بزرگی از پروتون‌ها (در این مورد، پروتون‌های وابسته به مولکول‌های آب) را برای مدتی طولانی تحت نظر داشت. در اولین گزارشی که از آشکارساز معدن نمک منتشر شد داده‌های مربوط به یک دورۀ هشتاد روزه بررسی شده بود، این تعداد داده معادل با 700 تن ‌ـ سال است (باتیستون و دیگر) که باید با آزمایش‌هایی که در هند (تا کنون 100 تن‌ـ سال) و زیرزمین‌های مون بلان در سلسله جبال آلپ (آن هم 100 تن‌ـ سال) در دست انجام گرفتن است (بیونتا و دیگر) مقایسه شود. گروه IMB (ایروین‌ـ میشیگان‌ـ بروک هیون) هیچ رویداد واپاشی مشاهده نکرده است، گروه هند سه رویداد (رویداد نامزد) و گروه مون بلان یک رویداد ثبت کرده‌اند.
قلت رویدادها نه به این معنی است که پروتون وانمی‌پاشد و نه به این معنی که نظریۀ وحدت بزرگ (GUT) که واپاشی پروتون را لازم می‌آورد باید کنار گذاشته شود؛ بلکه فقط نشان می‌دهد ساده‌ترین صورت نظریۀ وحدت یافته، یعنی SU(5)، احتمالاً کمی بیش از اندازه ساده است. برای روشن‌تر شدن موضوع باید گفت که بنا به SU(5) پروتون نباید طول عمر متوسطی بیش از حدود 2/5×〖10〗^31 سال داشته باشد. نتایج IMB طول عمری بیش از 6/5×〖10〗^31 سال را لازم می‌آورد.
برای وحدت بخشیدن به نیروی قوی و نیروی الکتروضعیف (که خود حاصل ازدواج نیروهای الکترو مغناطیسی و ضعیف است). نظریه ‌پردازان GUT ناگزیر از اعتقاد به وجود بوزونی پر جرم (〖10〗^15 GeV) به نام X هستند که می‌تواند کوارک را به لپتون تبدیل کند و بالعکس. گر چه چنین ذره‌ای سنگین‌تر از آن است که بتواند مصنوعاً در یک شتاب دهنده آفریده شود، اثرات آن را می‌توان گهگاه مشاهده کرد؛ واپاشی پروتون چیزی نیست جز یکی از این اثرات.
در یکی از گرده‌های متعارف، پروتون به یک پیون خنثی و یک پوزیترون واپاشیده می‌شود. برای پی بردن به چگونگی این امر، فرض می‌کنیم پروتون از دو کوارک بالا و یک کوارک پایین تشکیل شده باشد. یکی از کوارک‌های بالا یک بوزون X گسیل می‌کند و به پادکوارک بالا تبدیل می‌شود. (ندرت این پدیده دلیل پایداری زیاد پروتون است). بوزون X به سرعت توسط کوارک پایین جذب می‌شود و آن را به یک پوزیترون تبدیل می‌کند. در این میان، پاد کوارک بالا با کوارک بالای باقی ‌مانده ترکیب می‌شود و یک پیون می‌دهد، پیون هم به نوبۀ خود به دو فوتون پر انرژی (پرتو گاما) وامی‌پاشد.
حدود %40 واپاشی‌های پروتون را می‌توان به حساب مُد واپاشیπ^° P→e^+ گذاشت. روش کار گروه IMB در مورد این واپاشی به شرح زیر است: وقتی پوزیترون و دو گامای حاصل از واپاشی پیون با سرعت از داخل آب بسیار خالص ظرف آشکار ساز عبور داده می‌شوند تولید تابش چرنکف مشخصه (مشابه نوری موج شوک صوتی) می‌کنند. این تابش توسط 2000 فتولوله که در کناره‌های ظرف آب تعبیه شده‌اند آشکار سازی می‌شود. محل واپاشی را می‌توان با توجه به توزیع برخوردهایی که در لوله‌ها ثبت می‌شوند مشخص کرد، و انرژی محصولات واپاشی را هم می‌توان با جمع کردن تعداد الکترون‌های نوری که در لوله‌ها تولید می‌شوند به دست آورد.
برای واپاشی پروتون راه‌های دیگری نیز می‌توان تصور کرد، مثلاً پروتون ممکن است (با نسبت انشعاب %16) به یک پاد نوترینو و یک پیون باردار واپاشد؛ مدهای دیگری هم وجود دارند که احتمال وقوع آن‌ها کم‌تر است. از آن‌جا که سناریوهای مختلفی برای واپاشی پروتون وجود دارد محاسبۀ حاصل تقسیم طول عمر تجربی (یا اگر، مثل مورد حاضر، هیچ موردی از واپاشی مشاهده نشود، حاصل تقسیم حد پایین طول عمر) بر نسبت انشعاب مفید است. مثلاً در مورد آخرین گزارشی که از تلاش‌های IMB، با 130 روز کار مداوم، منتشر شده، نسبت T/B برای π^° P→e^+ بیش از 〖10〗^32 سال محاسبه شده است (باتیستون و دیگر).
آشکار سازی که در کلیولند نصب شده، پژوهش در مورد پدیده‌های جالب دیگر را نیز امکان‌پذیر می‌کند. نوسان نوترون، تبدیل نوترون (موجود در یکی از اتم‌های مولکول آب) به پادنوترون و بالعکس، مانند واپاشی پروتون واکنش عجیب و غریبی است که بعضی مدل‌های GUT آن را مجاز می‌دانند. ظهور یک پادنوترون در حول و حوش یک نوترون می‌تواند به نابودی هر دو ذره و فوران خاصی از نور منجر شود. گروه آشکارساز IMB هیچ نشانه‌ای از نوسان نوترون ندیده است و می‌تواند حدی برای بسامد وقوع آن تعیین کند که دقت آن از دقت هیچ یک از آزمایش‌هایی که تا کنون در رآکتورهای هسته‌ای انجام شده کم‌تر نیست.
مدل‌های GUT، وجود تک قطبی مغناطیسی را هم مجاز می‌دانند. بر اساس یکی از سناریوها رد تک قطبی کندی که از میان ماده‌ای عبور می‌کند می‌تواند «کاتالیزور»ی باشد برای یک سلسله واپاشی پروتون. این نوع واپاشی نیز به هیچ عنوان مشاهده نشده است، و در این مورد نیز مانند واپاشی پروتون و نوسان نوترون، مشاهده نشدن رویدادهای مناسب، محدوده‌ای را که هر نظریۀ وحدت یافتۀ بزرگ می‌تواند در داخل آن رشد کند، تا حدودی تنگ‌تر کرده است.