Materia, z której zbudowany jest cały znany nam świat — od ludzkiego ciała po planety i gwiazdy — opiera się na stabilności protonów i neutronów. Gdyby te podstawowe składniki atomów rozpadały się choćby raz na czas porównywalny z wiekiem Wszechświata, rzeczywistość wyglądałaby zupełnie inaczej. Wszystko, co znamy, byłoby znacznie mniej trwałe.

To właśnie tę fundamentalną zagadkę postanowili zbadać naukowcy pracujący przy eksperymencie Super-Kamiokande w Japonii. To jeden z najbardziej zaawansowanych detektorów cząstek na świecie, ukryty głęboko pod ziemią pod górą Ikeno. W ogromnym cylindrycznym zbiorniku znajduje się aż 50 tysięcy ton ultraczystej wody, która pełni jednocześnie funkcję materiału badawczego i narzędzia detekcji.

Jak wygląda poszukiwanie rozpadu protonu?

Badacze analizują wodę pod kątem niezwykle rzadkich procesów, które mogłyby wskazywać na rozpad protonów lub neutronów. Jeśli taki proces rzeczywiście zachodzi, mogłoby to oznaczać, że obecny Model Standardowy fizyki cząstek nie opisuje jeszcze pełnego obrazu rzeczywistości.

Odkrycie rozpadu protonu byłoby przełomem porównywalnym z największymi odkryciami współczesnej fizyki. Oznaczałoby złamanie jednej z kluczowych zasad — zachowania liczby barionowej — i mogłoby otworzyć drogę do potwierdzenia teorii wielkiej unifikacji.

Kluczową rolę odgrywa tutaj promieniowanie Czerenkowa — charakterystyczny błękitny błysk powstający, gdy naładowana cząstka porusza się w wodzie szybciej niż światło w tym ośrodku. To właśnie te subtelne sygnały są analizowane przez tysiące niezwykle czułych fotopowielaczy.

Wyniki badań: proton nadal pozostaje stabilny

W najnowszej analizie opublikowanej w czasopiśmie Physical Review D naukowcy skupili się na dwóch hipotetycznych kanałach rozpadu protonów i neutronów. Przeanalizowano niemal pół megatonoroku danych, co stanowi jeden z największych zbiorów tego typu w historii fizyki cząstek.

Rezultat? Nie zaobserwowano żadnego sygnału wskazującego na rozpad protonu. To jednak nie oznacza porażki. Wręcz przeciwnie — brak obserwacji pozwolił wyznaczyć nowe, rekordowe dolne granice czasu życia protonów. Według obecnych danych proton, jeśli w ogóle się rozpada, może żyć co najmniej około 350 kwintylionów lat. To liczba wielokrotnie przekraczająca wiek Wszechświata.

Polscy naukowcy mają swój udział w przełomowych badaniach

W międzynarodowym projekcie Super-Kamiokande uczestniczą również polskie instytucje naukowe, w tym Narodowe Centrum Badań Jądrowych, Uniwersytet Warszawski oraz Uniwersytet Śląski.

Ich zadaniem jest analiza danych, modelowanie zjawisk fizycznych oraz kontrola niepewności pomiarowych. To dowód na rosnącą pozycję polskiej fizyki w światowych badaniach nad strukturą materii.

Nowa generacja eksperymentów już powstaje

Choć Super-Kamiokande nie znalazł jeszcze odpowiedzi, kolejne projekty mogą przybliżyć naukowców do rozwiązania tej zagadki. W Japonii powstaje większy Hyper-Kamiokande, w USA rozwijany jest eksperyment DUNE, a na dnie Morza Śródziemnego budowany jest system detektorów KM3NeT.

Wszystkie te instalacje mają jeden cel: wychwycić niezwykle rzadkie sygnały, które mogą zmienić nasze rozumienie Wszechświata.

Milczenie protonów wcale nie oznacza braku odpowiedzi. Czasem to właśnie brak sygnału mówi nauce najwięcej.