در جست‌و‌جوی واپاشی پروتون

نظریة وحدت بزرگ (GUT)، نامی است برای وحدت نیروی هسته‌ای قوی با نیروی هسته‌ای ضعیف و الکترومغناطیس که انتظار می‌رود در یک چهارچوب واحد ریاضی تحقق یابد. یکی از پیش‌گویی‌های مهم GUT پیش‌گویی واپاشی پروتون است که مدت‌های طولانی گمان می‌رفت مطلقاً پایدار باشد؛ البته طول عمر متوسط پروتون 1030 یا 1031 سال (بسته به این‌که کدام نظریه مورد استفاده قرار گیرد) خواهد بود. آزمایش‌های زیادی به منظور جست‌وجوی واپاشی پروتون در نقاط مختلف جهان ترتیب داده شده است. در حال حاضر وضعیت مبهم است: چند رویداد واپاشی "نامزد" ثبت شده است، اما به دلیل تردید در مورد اثرهای "زمینه"، این رویدادها قطعی تلقی نمی‌شوند. نظر به اهمیت واپاشی پروتون، به عنوان آزمون تجربی نظریه‌های وحدت بزرگ، جست‌وجوی این واپاشی هنوز هم مورد مورد علاقة اهل فیزیک ذرات است (1983).
همة آزمایش‌های واپاشی پروتون در اعماق زمین برگزار می‌شوند تا در برابر ورود سرزدة ذرات پرتو کیهانی به شتاب‌دهنده، که می‌تواند منشأ رویدادهای واپاشی حقیقی را زیر سؤال ببرد، حفاظت بهتری انجام گیرد. با این حال بسیاری از ذرات موجود در پرتوی کیهانی، به خصوص نوترینوها باعث پیچیدگی فرآیند آشکارسازی واپاشی می‌شوند. آشکارسازی واپاشی پروتون اساساً با نظارت بر نمونة عظیمی از پروتون‌ها (معمولاً پروتون‌های موجود در مولکول‌های حجم بزرگی از آب) توسط فتولوله‌هایی که در منبع آب ضد نور ردیف یا غوطه‌ور شده‌اند انجام می‌پذیرد. واپاشی پروتون به یک پوزیترون و یک نوترینو ـ مد واپاشی که بسیار محتمل است ـ باید به صورت جرقه‌های نورانی دیده شود. اما نوترینویی که در آشکارساز برهم‌کنش انجام می‌دهد نیز ممکن است چنین علامتی از خود به جا بگذارد.
نمایندگان از میان دست‌اندرکاران چند آزمایش در " نشست بهارة انجمن فیزیک آمریکا" در واشنگتن گرد آمدند. استیون ارد از دانشگاه میشیگان دربارة آشکارساز ایروین (کالیفرنیا) ـ میشیگان ـ بروک هیون (IMB)، یک منبع آب هشت هزار تنی واقع در معدن نمکی که در عمق دو هزار پایی زیر خاک کلیولند قرار دارد، صحبت کرد. گروه IMB با در اختیار داشتن نمونة داده‌های مؤثری برابر با 1850 تن سال (تن آب، سال‌های نظارت) هیچ‌گونه رویداد واپاشی محرز شده‌ای را گزارش نکرد، اگرچه هشت رویداد با بعضی مدهای واپاشی سازگار بودند.
دیوید کلاین از دانشگاه ویسکانسین از آشکارسازی در یوتا سخن گفت که گروهی از ویسکانسین ـ هاروارد ـ پر دو با آن کار می‌کنند. در این آشکارساز 800 تن آب با فتولوله‌هایی که در سراسر آن غوطه‌ور شده‌اند (بر‌خلاف IMB که لوله‌ها دور آب کار گذاشته شده‌اند) تحت نظر گرفته شده است. این کار باعث می‌شود تا کارآیی جمع‌آوری نور بهتری به دست آید. با نمونة مؤثر 480 تن سال، یک رویداد نامزد مشاهده شده است.
ماساتوشی کوشیبا از دانشگاه توکیو دو رویداد نامزد را توصیف کرد که در آشکارسازی 880 تنی واقع در 300 میلی غرب توکیو ثبت شده‌اند. کوشیبا بدون آن‌که ادعا کند این رویدادها قطعاً واپاشی پروتون بوده‌اند اذعان کرد که آن‌ها نمی‌توانسته‌اند به‌عنوان برهم‌کنش‌های نوترینو تعبیر شوند.
کلاین عقیده دارد واپاشی پروتون، اگر اصلاً اتفاق بیفتد، به قدری نادر است که آزمایشگران به هیچ ‌وجه نمی‌توانند تعدادی رویداد، که از لحاظ آماری با معنی باشند (مثلاً هزار رویداد) را جمع کنند، برخلاف آن‌چه که در یک آزمایش پراکندگی متعارف در شتاب‌دهنده ممکن است. در عوض می‌توان زمینة نوترینویی را بهتر فهمید و جست‌وجو را بسط داد تا دیگر مدهای ممکن واپاشی را نیز دربرگیرد.
در این میان، دست‌اندرکاران آزمون‌های زیرزمینی خود را برای یک جست‌وجوی چند سالة دیگر آماده می‌کنند.
در ملاقات انجمن فیزیک آمریکا، استیفن بار از دانشگاه واشنگتن خلاصه‌ای نظری از وضعیت فعلی را ارئه کرد. او اذعان می‌کند که ساده‌ترین مدل GUT، معروف به SU(5) کمینال، در تخمین (1029*5ر4 سال) طول عمر پروتون خطا کرده است. آشکارساز IMB ظاهراً با توجه به فقدان رویداد ـ حداقل طول عمر 1032*2 سال را برای پروتون پیش‌گویی می‌کند. ممکن است دسته‌ای جدیدتر از مدل‌های GUT پیش‌گویی‌های بهتری بکنند.
فیلیپ اف. شیو