几十年来，质子一直被认为是一种几乎永恒稳定的粒子。其寿命之长，经实验证明远远超过宇宙的年龄，奠定了我们对物质及其支配它的基本规律的理解。然而，粒子物理标准模型之外的理论框架表明，质子可能并非真正不朽。那么问题就来了：如果质子能够衰变，这个过程可能发生得多快，而这样的发现会对我们理解宇宙产生什么影响呢？
标准模型，我们目前对基本粒子及其相互作用的最佳描述，优雅地解释了大量的现象。在其框架内，质子由于重子数守恒而非常稳定，这是一个在所有已知相互作用中保持不变的基本量子数。重子，包括质子和中子，以重子数+1为特征。在标准模型中，没有任何相互作用可以改变系统的总重子数，从而禁止最轻的重子（即质子），衰变为更轻的非重子粒子，如正电子和光子。
然而，标准模型并不被认为是万物理论。它遗留了几个基本的未解之谜，例如中微子质量的起源以及暗物质和暗能量的性质。为了解决这些缺陷，物理学家已经提出了标准模型的各种扩展，包括大统一理论（GUTs）和超对称理论。这些理论通常在高能量下统一了自然的基本力，并且这样做时，它们引入了新的粒子和相互作用，这些粒子和相互作用可以违反重子数守恒，从而允许质子衰变。
例如，在 GUTs 的背景下，质子被理论化为通过极重粒子的介导而衰变，这些粒子通常被称为 X 和 Y 玻色子。这些假设的玻色子，质量约为 10^15 到 10^16 GeV（远超当前粒子加速器的能力），可以促进夸克和轻子之间的跃迁，有效地将质子（由三个夸克组成）转化为更轻的粒子，如正电子和一个中性 π 介子。这种衰变的概率与这些介导玻色子的质量的四次方成反比，这意味着如果这些粒子非常重，质子的寿命将极其漫长。
在这些理论可能性的驱动下，已经进行了广泛的实验努力来直接观察质子衰变。巨大的地下探测器，屏蔽了宇宙射线，被建造用来监测大量物质中衰变质子的明显迹象，例如同时发射一个正电子和一个 π 介子。经过数十年的寻找，尚未发现质子衰变的明确证据。这些零结果使得科学家能够设定越来越严格的质子寿命下限。目前，最可靠的下限，来自日本的超级神冈探测器实验，将质子的半衰期设定为惊人的 1.67 × 10^34 年。从这个角度来看，这大约是宇宙年龄的 10^24 倍！
这个实验确定的下限对理论模型具有重要的意义。许多早期、更简单的大统一理论，预测的质子寿命在早期实验的探测范围内，已经被有效地排除。更复杂的大统一理论和超对称模型可以通过调用更重的介导粒子或更复杂的衰变机制来适应观察到的质子的稳定性。然而，即使在这些更精密的框架内，质子衰变仍然是一个关键的预测，并且寻找仍在继续，下一代实验旨在获得更高的灵敏度。
然而，最近发表在《物理评论 D》上的一篇论文，题为“质子究竟能以多快的速度衰变？”，以一种新颖的视角重新审视了这个问题。作者提出，虽然我们周围的质子看起来非常稳定，但在某些条件下或在宇宙的不同区域，它们的衰变速率可能要高得多。
他们的核心论点依赖于畴壁的可能性，这是一种假设的拓扑缺陷，可以在早期宇宙的相变过程中出现在时空结构中。这些畴壁可能捕获或浓缩在大统一理论中介导质子衰变的非常重的粒子。如果一个质子与这样的畴壁相互作用，控制衰变的有效质量尺度可能会显着降低，从而导致更快的衰变速率。
该论文表明，在某些环境中，例如在这些畴壁内，或者可能在地球相对较近的过去，由于特定的宇宙事件，质子的寿命可能比当前的实验极限缩短多达 15 个数量级。这意味着在这些区域或那些时间，质子可能在远短于宇宙年龄的时间尺度上衰变，可能留下可观察到的信号。
作者探讨了几个质子衰变的潜在信号。例如，他们认为天然气中特定碳同位素的低比例是一个潜在的线索。他们还讨论了一种具有特定半衰期的额外碳源的可能性，该半衰期可能与质子衰变产物有关。虽然这些目前只是推测，但它们突出了间接探测这种奇异场景的潜在途径。
如果质子在某些情况下确实可以衰变得更快，这将需要对我们理解基本物理学和宇宙学进行重大的修正。它可以为一些目前无法解释的现象提供解释，例如宇宙中观察到的物质-反物质不对称性。早期宇宙中更快的质子衰变可能会影响轻元素的形成以及宇宙随后的演化。此外，存在增强质子衰变的畴壁或其他奇异结构将为探索标准模型之外的物理学开辟新的途径。
然而，至关重要的是要强调，在特定环境中质子衰变速度显着加快的假设仍然是高度推测性的，需要进一步的理论和实验验证。目前质子衰变的实验极限仍然非常严格，并且适用于我们可观测宇宙中质子的平均行为。最近论文中提出的场景依赖于特定的宇宙结构和条件的存在，而这些结构和条件本身尚未得到证实。
