Вступление
Из четырех известных в природе фундаментальных сил в первые мгновения после Большого взрыва «индивидуально» проявлялась только гравитация. Остальные три фундаментальных взаимодействия — электромагнитное, слабое и сильное — были объединены и вызывали непрерывные превращения элементарных частиц.
Протон
При этом одним из наиболее интересных эффектов мог быть распад протона — частицы, которая до недавнего времени считалась стабильной.
Согласно теории великого объединения, распад прогона не может происходить при температуре ниже 1030К, поэтому во всех практических приложениях протон по-прежнему можно считать стабильной частицей.
При господствующих во Вселенной условиях реакция распада протона должна идти очень медленно: физики считают, что в вакууме время жизни протона превышает 6,5 • 1031 лет.
Монополи
Однако недавно было теоретически показано, что в присутствии некоторых экзотических частиц распад протона может ускоряться. Частицами, ускоряющими этот процесс, являются так называемые магнитные монополи.
Существование магнитного монополя предсказывается почти во всех вариантах теорий великого объединения. Эти частицы не имеют электрического заряда, но обладают магнитным зарядом.
Физики-теоретики расходятся во мнениях по вопросу о строении монополей и их количестве во Вселенной, однако все они считают, что монополь имеет необычно большую для элементарных частиц массу — по-видимому, 10 в 16-й степени —10 в 17-й степени масс протона.
Такая тяжелая частица не может рождаться где-либо в современной Вселенной. Плотность энергии во Вселенной была достаточной для образования тяжелых магнитных монополей в свободном состоянии только в первые 10 в минус 35-й степени с после Большого взрыва.
Ныне существующие монополи — если они, конечно, существуют, — представляют собой стабильный побочный продукт той давней эпохи.
В первоначальных вариантах теорий великого объединения идея о том, что монополи могут служить катализатором в реакции распада протона, не была сформулирована в явном виде.
В 1981 г. В. А. Рубаков из Института ядерных исследований АН СССР (Москва) выдвинул гипотезу о том, что присутствие монополя может резко ускорить процесс распада протона.
В 1982 г. механизм распада протона рассматривал также Ф. Вильчск, работающий в Калифорнийском университете в Санта-Барбаре. Каталитические свойства монополя, как оказалось, непосредственно определяются его структурой.
В простейшем варианте теорий великого объединения монополь представляет собой солитон — сгустки полей, связанных с единым взаимодействием, которыми была заполнена Вселенная в первое мгновение после своего рождения.
По мере расширения и охлаждения Вселенной поля единого взаимодействия исчезли, и остались лишь их сгустки в монополях. Согласно квантовой теории любая сила вызывается обменом векторными бозонами — частицами, передающими взаимодействие.
Монополь можно рассматривать как совокупность примерно ста векторных бозонов, переносящих единое взаимодействие. Ядро монополя представляет собой как бы горячий уголек, в котором сохранился «жар» молодой Вселенной. Если подобный сгусток векторных бозонов проходит вблизи протона, он почти мгновенно распадается.
Когда впервые была рассмотрена возможность монопольного катализа, казалось маловероятным, что этот процесс можно рассматривать в качестве сколько-нибудь эффективного механизма ускорения распада протона. Теория великого объединения предсказывает, что, несмотря на свою огромную массу, монополь должен иметь невероятно маленький размер — примерно в 10 в 14-й степени раз меньше протона.
Магнитные поля монополя
По мнению К. Каллана из Принстонского университета, если бы воздействие на протон определялось только размером монополя, то он почти не оказывал бы влияния на распад протона.
Однако расчеты Каллана показали, что магнитное поле монополя может сильно взаимодействовать с магнитным моментом протона. В квантовой механике частица представляется в виде волны с разными значениями углового момента.
Одна из компонент этой волны, которая соответствует нулевому значению момента, при прохождении протона достаточно близко к монополю втягивается в ядро монополя и подвергается воздействию магнитного поля последнего. В ядре монополя эта компонента взаимодействует с векторными бозонами — переносчиками единого взаимодействия.
В результате протон может распадаться на позитрон и нейтральный пи-мезон с выделением огромного количества энергии. Монополь же не подвергается никаким превращениям и может продолжать выступать в роли катализатора распада других протонов.
Итог
Взаимодействие монополя с протоном пока остается лишь теоретическим предсказанием: до сих пор экспериментально не наблюдался ни сам монополь, ни распад протона. Тем не менее теоретические разработки в этой области постоянно предлагают новые интересные эксперименты для усовершенствования теории великого объединения.
Экспериментаторы предприняли многочисленные попытки установить более высокую верхнюю границу времени жизни протона и более низкую границу плотности монополей во Вселенной.
А поскольку скорость самопроизвольного распада протона в присутствии монополей резко возрастает, обнаружение более высокой скорости распада протона можно было бы рассматривать как свидетельство более высокой плотности монополей.
