前沿进展 质子衰变实验进展* 高瑞能 中国科学院光与物理研究所 戴长北 蒋静（暋暋100049） 摘要：根据粒子物理标准模型理论，重子number 是绝对守恒的。大统一理论（GUT）明确否认重子数的对称性，并预测质子将衰变成更轻的亚粒子。文章讨论了质子衰变的物理概念、基本探测条件和主要实验现状。 ，并将一些想法融入到检测方法的讨论和检测技术的改进中。目前普遍认为质子的寿命>10·32年左右。质子衰变的探测对于验证新的理论模型、宇宙学和粒子物理科学的发展具有重要意义。关键词 暋暋重子守恒、质子衰变、寿命、探测器、反物质 根据大统一理论，原子核中的核子会衰变，而重子数守恒不一定会溶质。本文对核子衰变研究的物理概念、探测和实验现状进行了综述，并提出了改进实验方法和技术的建议ed.到目前为止，质子寿命牦p被认为大于1032年。核子衰变的探测将对于验证新的理论模型和开发非常有帮助宇宙学与粒子物理的机遇.暋暋重子碢数守恒、质子衰变、寿命、探测器、反物质 1 引言 在我们生活的世界中，为什么宇宙中物质多于反物质？这是现代物理学中一个有趣的问题。在粒子宇宙学中，这个问题表现为宇宙中的重子-反重子不对称性。根据标准模型理论，重子数和轻子数绝对守恒。质子是最轻（且能量最低）的重子，因此它绝对稳定。然而，超出标准模型理论范围的大统一理论（GUT）[1]明确否认重子数的对称性，并预测质子通过X玻色子衰变。重子数是绝对且严格守恒的。或者它是有条件且近似守恒的吗？质子衰变的实验检测将给出最终的结论。如果质子确实衰变，那么大统一理论基本假设的正确性就有了实验基础，这将为大爆炸宇宙学提供基础。为粒子的产生提供了理论基础。总之，通过解决质子衰变问题，人们有可能对重子数的起源以及宇宙的过去、现在和未来有更多的了解和真相。这正是广大物理学家、宇宙学家和哲学家多年来屏息等待找出“质子衰变的动机”的原因，从而引起了宇宙学（宇宙学的科学）两个不同领域的同时出现。大）和粒子物理学（非常小的科学）。 “质子衰变是热的，质子衰变后会产生正电子和中性介子，中性介子再次衰变产生2个单位的伽马射线（歭），*国家自然科学基金（批准号：10775144） )资助项目 2010-09-03 收到Wangrg通信联系人. Email:support@www.transformativeconsumerresearch.com 前沿进展的具体反应是p濚e + +浵0,浵0暚2歭.质子组成u，由3个夸克u、d组成。大统一能量下，夸克和反电子没有本质区别。一般情况下，质子中的3个夸克没有足够的能量转变成反电子，由于测不准原理，这意味着质子中夸克的能量不可能严格恒定，因此其中一个夸克可以非常偶然地获得它。
有足够的能量来进行这个转变，所以质子会衰变。但衰变的概率是如此之低，至少需要100万亿万亿年（10-30年）才会发生。 SO(10) G 4 22 预测质子寿命为 1.44 × 10 32 年 [2-4]，而minimalSUSYSU(5) 预测质子寿命为 2 × 10 35 年 [5-7]，超维模型预测质子寿命为 9.2×10 34 年 [8]。另一方面，新的理论模型预测原子核中的核子会衰变，重子数守恒会被破坏[9-11]。如果用B来表示重子数，当重子数守恒定律被破坏时，就会改变数壳B=1、壳B=2等[12-14]。重子数破坏对于解释宇宙中物质的存在现状具有非常重要的作用，因此备受关注。国际上已有多个实验组开展了原子核内质子衰变和核子衰变的实验研究，对于验证新的理论模型具有重要的科学意义。 2 质子衰变检测的基本条件 由于质子的寿命极长，衰变情况极少，加上衰变后的产物难以检测和筛选，实验检测难度极大。理论上，实验必须满足以下条件：首先，必须有足够的含有大量质子的检测材料。例如，使用4000吨水。作为一种检测物质（含有大约 2.5 × 10 33 个质子和中子），假设质子寿命为 10 31 年，我们预计每月会看到 20 次衰变事件。扣除其他影响后，只能观察到一半的事件。除H 2 外，所有物质都含有近一半的中子。中子也是由夸克组成的，也会因为其中的夸克经过X粒子而衰变。在所有的“质子衰变实验”中，也考虑到了中子的中子衰变。其次，必须消除宇宙射线的干扰。也就是说，实验必须在地下深处或海底进行，利用岩石、土壤或海水来降低宇宙射线背景。然而，宇宙射线含有高能离子和中微子。宇宙射线的穿透力很强，有的还在地下深处，而中微子几乎可以穿透地球而不衰减。如果宇宙线中的中微子被质子吸收，就会产生p+毻濚n+e+。类似的质子衰变过程给案件的认定带来一定的困难。因此，第三，必须有一种装置能够利用质子衰变产物的特性来识别信号的真伪。根据大统一理论，质子衰变最常见的通道是p曻浵0 +e + ，毵0会立即衰变成2个歭光子。因此，我们可以通过测量装置中某一点突然发出1个e+和2μ的现象来辨别案件的真伪。 3 实验研究现状最早的实验是由 F. Reines 和 M. Goldharber 在 1954 年进行的[15]。他们使用了50kg的闪烁体，质子和中子的总数约为3×10 28。如果有一个质子衰变成e+和毵0，那么每个粒子的能量应该接近500MeV，其中毵0会迅速衰变成高能毭光子。这些高能粒子在闪烁体中运动时会引起闪烁体发光。利用光电倍增管接收这些光信号，可以计算出高能粒子的轨迹和能量，从而区分质子衰变和宇宙射线的干扰。为了减少宇宙射线的影响，实验在30m深的地下室进行。实验持续了几个小时，每秒闪烁几次。但分析表明，这些闪光是宇宙射线引起的虚假信号，并没有发现质子衰变的情况。随后，日本、印度、美国和欧洲的一些研究小组相继开展了质子衰变的实验探索。 20世纪80年代初以来，越来越多的国际团体加入探测行列，实验规模越来越大、水平越来越高。例如，由印度和日本科学家组成的实验小组利用印度科拉尔金矿的废弃矿井进行了测量质子衰变的实验[16]。实验装置的基本框架由一层铁和一层探测器交替堆叠而成，一期装置安装了34层探测器，总计约1600个计数单元。每层探测器尺寸为4×6m 2 。两层探测器之间插有一块1.2厘米厚的铁板，重达140吨。第二期装置增加至60层探测器，共有约4000个计数单元。每层探测器尺寸改为6×6m 2 ，重量增加至260吨。整个装置位于地下2300m深度，相当于水深7600m。该实验于1980年开始，运行于2011年底开始，于1993年结束。没有观察到证实的质子衰变案例（尽管有几个候选案例）。根据多年的观测数据，计算出质子的平均寿命约为10·31年。 Korakin矿石实验采用固体材料作为检测物质。类似的实验还有：欧洲小组在意大利和法国边境的阿尔卑斯山勃朗峰隧道中进行的NUSEX实验[17]。探测器重150吨。 1983年，他们声称观察到了一个候选衰变事件，相应的质子寿命为2.2×10 31年。欧洲小组还在阿尔卑斯山的弗雷瑞斯隧道进行了FREJUS实验[18]。探测器重900吨，发出p浐e++浵0衰变通道的质子寿命在下1矿。0东中10，美国3320年国家[，1人p 9]浐安。并且k装置+在+美浐国衰明吨尼通苏道（质量S装置o子[u 20 d寿命] a,n寿命）的测量值大于5.4暳10[21].960 ·180·http:飋飋www.transformativeconsumerresearch.com 暋暋暋暋 暋暋暋暋 暋暋暋暋 暋暋暋暋 暋暋物理·第40卷(2011)第3期
质子寿命为3.8暳10 31年。除了检测固体材料外，还有一种使用水作为检测器的Ka测试m(i test oKka device www.transformativeconsumerresearch.com)(检测Su材料神pe材料典型oek)类型an [2 of d 4 e] has.I [2 M US 3] B 国与真日测试 I 这个 M 是超 B 级真美神测试 Kunioka [22 的测试]，测试俄罗斯日）在俄亥俄州 Clifflade 的一个盐矿里约600m深（相当于1570m水深）。探测器尺寸为22.5×17×18m 3 ，中间注入3300吨纯水（水不断循环过滤），周围安装2048个光电管收集光信号。当质子衰变为正电子和介子，且带电粒子在水中的运动速度超过光在水中的传播速度时，就会产生切伦科夫辐射，并被周围的光电倍增管记录下来。经观察未发现质子衰变。他们得出结论，质子寿命大于 1.5 ± 10 32 年。神冈探测器和超级神冈探测器是日本制造的大型介观显微镜。该探测器位于日本岐阜县一处深度1000m的废弃砷矿中。其目标是探测太阳、地球大气层和超新星爆炸产生的质子衰变和中微子。检测器的主要部分是一个内部容器，盛有高纯水的圆柱形容器，容器内壁安装有光电倍增管。从1982年到1996年，探测器容量扩大了近10倍：容器从高16m、直径15.6m扩大到高41.4m、直径39.3m；水容量由3000吨增加到5万吨；光电倍增管的数量从大约1,000个增加到11,200个。因此，名称从原来的神冈探测器改为超级神冈探测器。虽然神冈探测器/超级神冈探测器探测质子衰变的目标尚未实现，但为了探测太阳中微子不存在，并提供中微子振荡的第一个明确证据，实验组组长、日本科学家大芝正敏获得了胜利。 2002年诺贝尔物理学奖。根据衰变物理模型，目前的重子数实验大致可分为两类，分述如下： 3.1 质子衰变实验 世界上许多实验组都开展了质子衰变的实验研究。典型的有：我国采用的微米和核子衰变实验的大规模水剪切连接，处于水文科学的中间。水有500万个光子，因此对于每个质子衰变事件，水切伦科夫探测器可以检测到3个切伦科夫光信号（e+和200万个光子）。本实验选择0的质量范围为85-185 MeV/c 2 ；总恒定质量范围为 800-1050 MeV/c 2、当总照射量达到每年 14 万吨时，总动量与总恒定质量有关 参数平面上的特定区域（总动量：0-300MeV/c ；总恒定质量：800-1050MeV/前沿进展c衰变2)改变一些测量质量的内部通道到p亚寿命e+寿命+大毵0在8衰落.2改变暳事10例33，年份给出 (90p%曻eC +.L+.浵)0;这在实际的2.8测试中也给出了，与10曻k+ +毻[2 Dec. 5]相同。意外质子多生命实验（90% C.L.）的33年团队开发了一种具有高空间分辨率和高能量分辨率的大型径迹探测器，用于观察不同的质子衰变通道，给出更长的质子寿命。例如，ICANOE将研制3万吨大型液氩中微子和核子衰变径迹探测器，用于研究p年到k年的质子衰变通道[26+,27+]。确实L试验A试验NN试验D，D预计研制10台大型34型液氩靶材，寿命7万吨。中微子和核子衰变径迹探测器将用于根据35年衰变路径研究质子衰变的实验检测[通道28]。许多实验组都对原子核内的核子衰变进行了实验研究[29]。例如，大规模地下实验包括IMB、Kamiokande、FRE、US核子、oll衰变、ab、ora、ti、on micron和S核子。 up's er通过K通道ami典型的ok型an's de等，主要观察[19测量]，它是核。 FREJUS以整个地球原子核为核源，采用700吨重的含铁径迹量热探测器。 ，观察核内单中子和双中子衰变成中微子的罕见事件，即通过径迹量热仪探测中微子，当每年总照射量达到2千吨时，核内核子给出的较低Kande衰变寿命的极限[30]使用2000多吨的水切伦科夫探测器观测到16个O核中子衰变成三个中微子（两个中微子加上（反中微子）罕见事件，中微子探测产生的信号，当总照射量达到7.7千吨年时，给出了核中子衰变寿命的下限S(n曻毻毻毻)>2.3暳10 27年（90% C.L.）。此外，地下大型中微子探测器还用于观测核内核子衰变进入不可见通道的罕见事件，并为核内核子衰变寿命提供下限。如果用于中国KAMLAND，用于微米和核衰变实验的大型液体闪烁探测器，探测阈值能量低（<1MeV），具有良好的能量分辨率和空间分辨率。当总曝光量达到
838吨年，通过检测母核12C衰变后子核11C的再衰变产物（n或n，r），计算12C核衰变中单个中子的寿命进入无形通道获得(n曻inv.)大于5.8暳10 29年(90%C.L明。()n.n与曻时inv.实)大考验于野1得到。 4 30年后获得连击（隐身）【通31】刀。有得入手，暳10 90%C.L.用于太阳中微子实验的大型D 2 O探测器SNO以探测器中的16 O为母核，总照射量达到7暳10 8 cm 3 × 254天，通过探测子体的退激zeta射线15 O核在母核 16 O衰变后，得到了 16 O核中单个中子衰变到不可见通道的寿命（n·inv.）。大于 1.9 × 10 29 年 (90%C.L.)。同时，实验也取得了前沿进展，发现单一2质量9年（衰变90%为C是不可能的）。见[3佟2]。通道寿命（p曻inv.）大于2.1暳10 未来，除了现有的继续观察原子核内核子衰变的实验外，还将有更多大规模的地下中微子实验投入投入运行，还将考虑检测原子核中核子衰变的实验。 ，将给出更高的核衰变寿命下限。另一方面，由于近10年来地下低本底实验技术取得的巨大进步，利用地下小型实验装置研究原子核内核衰变的实验掀起了新的高潮。 ，典型的例子包括 DAMAcollaboration [33] 和 Borxinotestfacility [34]。这些实验通过检测子核的衰变来观察母核中核子的衰变，即主要观察原子核中核子衰变的不可见通道。由于检测的是原子核衰变时发出的射线，检测效率很高，因此用小型实验装置就能得到很好的结果。例如，检测DA 129 MXeA/核L的Xe核，采用6.5的衰变率，通过检测液态母核1氙29 s的子核128 I的再衰变产物曻进入当v:牦,.()p给出>p1曻出i.9n核心v暳.1)在0>24 5核年.5 sub(%0 2 C 3衰变年的9暳01。L同命运时变(.9)0shou.%为C.L.实极限)；牦(nn浐inv.)>1.2 ± 10 25 年 (90% C.L.)。另一个例子是Borxinotestfacility，它使用4.2吨重的C16H18液体闪烁探测器来探测12C原子核的核衰变，也给出了原子核内核衰变寿命的新下限。 GIUNT灢I组[12]也准备研究这个核衰变通道。鉴于核子的衰变寿命很长，其下限至少大于10 23 年[35]，为了提高测量精度，需要观测核子衰变成介微米的过程。在子通道模式下，必须使用大型探测器或超大型探测器来研究重子数是否守恒，所需资金非常巨大。至于观察原子核内核子衰变进入不可见通道的模式，虽然可以使用更小的地下实验装置，但更经济，可以获得更好的结果。但实验中的关键问题是：（1）提高灵敏度，将源和装置合二为一，待测原子核的同位素丰度要高； （2）观测时利用子核衰变释放的电子和光子进行观测，会显着抑制背景； (3)利用地下实验室的低宇宙线本底，结合主动和被动屏蔽措施，将极大地抑制本底。背景大大降低，从而进一步提高测量精度和灵敏度，以获得这种核衰变模型的新结果。重子数主要实验的基本检测结果如表1所示。 表1 当前重子数实验总结 衰变通道核寿命下限实验 名称 实验简介 p 曻e + +浵0 8.2 暳10 33 年 (90 %C.L.)5万吨水的超级碢Kamiokande水切伦科夫探测器；检测e+和2μ光子以及3个切伦科夫光信号；总暴露量达到每年 14 万吨 p 曻k + +毻2.8 暳10 33 年 (90% C.L.) 超级神冈实验同上 n 曻毻毻毻1.2 曻10 26 年 Frejus 700 吨含铁轨道量热能量探测器；探测核衰变产生的中微子；总暴露量达到每年 2 千吨nn 曻毻毻6.0 暳10 24 年 弗雷瑞斯实验如上 n 曻毻毻2.3 曻毻毻2.3 曻10 27 年 (90% C.L.)Kamiokande Water Cherenkov detector of 2 kot of water;探测核衰变产生的中微子；总暴露量达到每年 7.7 千吨 n 曻inv.5.8 暳10 29 年 (90% C.L.) KAMLAND 大型液体闪烁探测器；通过母核 12 C 衰变后子核 11 C 的再衰变产物（n或n，r)检测；总暴露量达到每年 838 吨 nn 浐 inv.1.4 暳 10 30 年 (90%C.L.) KAMLAND 实验同上
n 曻inv.1.9 暳10 29 年（90% C.L.）SNO 大型 D 2 O 探测器；通过检测母核 16 O 衰变后子核 15 O 的退激沸石射线；总暴露量高达 7 ×10 8 cm 3 ×254 天 p ×inv.2.1 ×10 29 年 (90%C.L.) SNO 实验同上 p ×inv.1.9 ×10 24 年 (90%C.L.) DAMA/LXe 6.5kg液氙闪烁探测装置；通过检测母核129 1.2 暳10 25年衰变后子核128 I的再衰变产物（90%C.L.）DAMA/LXe实验如上·182·http：飋飋www.xiexiebang。 com 暋暋 暋暋 暋暋 暋暋 暋暋 暋暋 物理·第40卷(2011)第3期 前沿进展[17]抛BattistoniG,CampanaP,ChiarellaVetal.ResultsonNucle碢4展望 除了现有的继续观察核子衰变的实验随着原子核的发展，更多探测暗物质的地下实验将投入运行，同时观察质子衰变事件。双观测高空探测真实核实验也会发生衰变，寿命探测对原子核内核子的衰变也会给出更多限制。随着理论研究的不断深入和探测器技术的进一步完善，新的、更有效的探测方法将被论证并应用于更大规模探测器的设计和制造[36,37]。我们坚信，重子数的起源、反物质的消失、宇宙的形成与未来等许多科学谜团都将在未来被揭开。不是很远。参考文献[1]抛AlbrechtA,SteinhardtPJ.Phys.Rev.Letts.,1982,48: 1220 [2]抛PatiJC.Int.J.Mod.Phys.A,2003,18:4135 [3]抛BabuKS,PatiJC, WilczekF.Phys.Lett.B,1998,423:337 [4]抛BabuKS,PatiJC,WilczekF.Nucl.Phys.B,2000,566:33 [5]抛DimopoulosS,GeorgiH.Nucl.Phys.B,1981,193:150 [6]主席 SakaiS,YanagidaT.Nucl.Phys.B,1982,197:533 [7]主席 HisanoJ,MurayamaH,YanagidaT.Nucl.Phys.B,1993,: 46 [8]DubovskySL.JournalofHighEnergyPhysics,2002,1:12 [9]PartyJC etal.Phys.Rev.D,1984,29:1549 [10]PartyJC etal.Phys.Rev.Lett.,1973,31:661 [11 ]Review FeinbergG etal.Phys.Rev.D,1978,18:1602 [12]www.transformativeconsumerresearch.com,1981,71:185 [13]Review GoldhaberMetal.Science,1980,210:851 14]Klapdor 灢 KleingrothausHV, StaudtA.非灢加速器粒子物理学.布里斯托兰费城:物理研究所出版,1995.146 [15]ReinesF,CowanCL,GoldhaberM.Phys.Rev. 1157 [16] AdarkarH，HayashiY 等人。 arXiv:hep ex/0008074v1,2000(http://www.transformativeconsumerresearch.com/PS_cache/hep ex/pdf/0008/www.transformativeconsumerresearch.com:Proceedingsofthe18thICRC.Bangalore,India,1983,174 [18]暋BergerC etal.Nucl. Instrum.Math.A,1987,262:463 [19]RayBergerC etal.Phys.Lett.B,1991,269:227 [20]RayThronJL.Nucl.Instrum.Math.A,1989,283 :642 [21]五月GoodmanMforSOUDAN2 Collaboration,www.transformativeconsumerresearch.com:Proceedingsofthe26thICRC.SaltLakeCity,Utah,USA,1999,364 [22]May Becker 灢 SzendyR etal.Nucl.Instrum.Meth.A,1993,324: 363 [23]May KoshibaM.KamiokaNu cleonDe cay实验：卡车灢kandeCollaboration.LecturegivenatSLACSummerInstitu灢te，July1988 [24]Chapter FukudaY etal.Nucl.Instrum.Meth.A,2003,501:418 [25]主席 KaneyukiK.第十一届天体粒子和地下物理主题国际会议 (TAUP)，罗马，2009 年 7 月(http://www.transformativeconsumerresearch.com/slides/ jul4/kaneyuki.pdf)[26]May RubbiaA.NuclearPhysicsB:ProceedingsSupplements,2001 , 91(1—3):223 [27]May BuenoA .PresentdateNNN00FermilabNucleonDecayandNeutrinoDetectorworkshop,FNAL,August2000 [28]演示文稿 DavidBC.NuclearInstrumentsandMethodsinPhysicsRe 灢 searchA,2003,503:136 [29]演示文稿 CasoC 等人.E ur.Phys.J.C，1998， 3:1。 1 [30] 谷歌学者 GlicensteinJF.Phys.Lett。 B,1997,411:326 [31] ArakiT.Phys.Rev.Lett.,2006,96:101802 [32]抛AhmedSN.Phys.Rev.Lett.,2004,92:102004 [33]抛BernabeiR etal.Phys.Lett.B,2000,493:12 [34]抛BackHO etal.Phys.Lett.B, 2003,563:23 [35]MasinaLS etal.Phys.Lett.B,2004,579:99 [36]RubbiaA.Verymassiveunderground detectorsforprotonde www.transformativeconsumerresearch.com:TheXIInternationalConferenceonCalorim etryinHighEnergyPhysics CALOR2004,佩鲁贾,意大利,2004年(arXiv:hep灢ph/0407297v1 )[37]抛SenjanovicG,www.transformativeconsumerresearch.com:theSU碢SY09andPASCOS09Conferences,2009(arXiv:0912.5375v1 [hep灢ph])pdf)
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酸碱质子理论教案模板
项目进展说明
教学工作总结及教学进展
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