Электрон – это элементарная частица. Вместе с верхним и нижним кварками он составляет большую часть материи, с которой мы сталкиваемся в будничной жизни. И, конечно же, электроны очень стабильны. Но насколько они стабильны? Как насчет очень больших временных интервалов? Есть ли шанс, что электрон в конце концов может распасться?
Это очень занимательный вопрос. На который физики, занимающиеся исследованием природы элементарных частиц, лишь несколько лет назад смогли ответить немного точнее, чем раньше. Но прежде чем узнаем, как выглядит ответ на этот вопрос, и почему вообще стоит с ним заморачиваться, стоит повнимательнее присмотреться к самому слову «распадаться». Ведь если электрон распадается, не означает ли это, что он может и не являться элементарной частицей?
Масса и энергия
Да нет. Это необязательно так. В физике элементарных частиц «распад» не обязательно означает, что объект распадается на какие-то составные части. Если в больших ускорителях происходит столкновение частиц, и при этих столкновениях рождаются новые частицы, то это вовсе не значит, что эти новые частицы «составляют» новые возникшие частицы.
Все дело здесь в энергии. Еще со времен Альберта Эйнштейна известно, что энергия и масса — это, по сути, одно и то же. При столкновении частиц в ускорителе выделяется энергия. И из этой энергии могут создаваться новые частицы. Так обстоит дело и с распадом самих частиц. Электрон имеет определенную массу, соответствующую определенной энергии. И если он нестабилен, то это означает лишь то, что эта энергия в конце концов перестает представлять электрон. И с участием этой энергии появится какая-то другая частица.
Однако на самом деле описанный выше процесс практически невозможен! Поскольку существует множество квантово-механических законов природы, определяющих механизм распада частиц подобного типа. Например, существует закон сохранения энергии. Частицы, которые образуются при распаде электрона, не могут иметь больше массы/энергии, чем исходный электрон. И здесь возникает очень интересный нюанс. Ведь кроме энергии должен сохраняться и электрический заряд! Электрон электрически заряжен отрицательно. И суммарный заряд всех частиц, образовавшихся в результате распада электрона, тоже должен быть отрицательным! И иметь такое же значение, как и у электрона!
Именно по этой причине предполагается, что электрон в принципе не может распасться. Потому что все известные частицы с меньшей массой, чем у него (например, нейтрино), электрически нейтральны. Таким образом, для электрона не существует известного способа распада без нарушения закона сохранения заряда.
Стандартная модель и электрон
По крайней мере такой вывод можно сделать, используя положения Стандартной модели физики элементарных частиц. Эта модель чрезвычайно успешна в описании природы микромира. Однако наука считает, что она недостаточно всеобъемлюща. Есть некоторые явления, которые физика до сих пор не может описать (существование темной материи, массы нейтрино и так далее.). Поэтому в конечном итоге эту модель однозначно необходимо будет доработать. Возможно, после этой доработки появятся частицы или новые законы природы, позволяющие электронам распадаться.
Поэтому, наверное, стоило бы поискать распадающиеся электроны. Наблюдение за таким процессом было бы явным признаком новой физики за пределами Стандартной модели.
Однако поместить электрон под микроскоп, а затем подождать несколько миллиардов лет, чтобы увидеть, произойдет ли что-нибудь не очень удобно. Именно поэтому для таких экспериментов используется статистика.
Распады частиц являются случайными событиями. Они не происходят по расписанию. Если средняя продолжительность жизни частицы составляет, например, 5 минут, то это всего лишь среднее значение. Некоторые из этих частиц распадаются уже через 5 секунд. А некоторые проживут 5 лет!
И поэтому, если посмотреть на большое количество электронов, можно обнаружить по крайней мере несколько электронов с очень коротким временем жизни. Даже если электроны очень стабильны (в среднем) чрезвычайно долгое время.
Эксперимент
Именно так и поступили исследователи в ходе эксперимента Borexino в Италии («Испытание сохранения электрического заряда с помощью Borexino»). Детектор Borexino используется, как правило, для обнаружения нейтрино. Он состоит из большого подземного резервуара, наполненного специальной жидкостью. Когда нейтрино взаимодействуют с атомами в этой жидкости, возникает вспышка света, которую можно зарегистрировать с помощью соответствующих детекторов.
Но вот что интересно. Жидкость в детекторе Borexino содержит очень и очень большое количество электронов. Примерно 10 в степени 32. Или 100 нониллионов. И если хотя бы один из этих электронов распадется, возникнет очень специфическая вспышка света, которую могут увидеть детекторы.
Ученые искали именно такой сигнал в данных, зарегистрированных детектором Borexino в период с января 2012 года по май 2013 года. И ничего не нашли!
Конечно, это не означает, что электроны вечны. Но это означает, что их средняя продолжительность жизни составляет не менее 66 октиллионов лет. Или 66 000 000 000 000 000 000 000 000 000 лет. То есть в 4,7 триллиона раз дольше, чем время жизни нашей Вселенной!
Очевидно, что за все время существования нашей планеты событие распада электрона даже в пределах нашей Солнечной системы могло и не произойти.
Ни разу.