הפרוטון הוא אחד ממרכיבי האטום. יחד עם הנויטרון, הוא מרכיב את גרעין האטום. האם ייתכן שהפרוטון יכול להתפרק לחלקיקים אחרים?
העולם התת-אטומי הוא עולם מרתק שבו קורים תהליכים רבים ומגוונים. בחלק מתהליכים אלה חלקיקים מתפרקים והופכים לחלקיקים אחרים. התופעה היא מוזרה קמעא: חלקיק יכול להעלם ובמקומו מופיעים חלקיקים אחרים. בשפה המקצועית תהליך שכזה נקרא דעיכה.
דוגמא קונקרטית לכך היא דעיכת הנויטרון, הידועה כהתפרקות בטא [1]: אם יש לנו  נויטרון בודד, שאינו מבצע אינטראקציה עם חלקיקים אחרים, אזי אחרי כ-15 דקות הוא פשוט יעלם ובמקומו יופיעו פרוטון, אלקטרון וחלקיק נוסף הנקרא אנטי-נייטרינו.
מדוע קורה הדבר? ובכן לשאלה הזאת אין ממש משמעות. אנו חיים בעולם בו מושלים חוקי תאורית הקוונטים, שלפיהם יש הסתברות מסויימת לדעיכה של נויטרון בפרק זמן נתון ואם קיימת הסתברות לכך שדבר מסויים יקרה אז בסופו של דבר - או בסופן של כ-15 דקות בממוצע - הוא יקרה.
האם כל תהליך פיזיקלי ייתכן על-פי תורת הקוונטים? האם, למשל, קיימת הסתברות שחלקיק הנויטרון ייעלם ובמקומו יופיע פיל? התשובה היא לא. מאחר ומסת הפיל גדולה ממסת חלקיק הנויטרון, וכיוון שכפי שמלמדת אותנו תורת היחסות הפרטית מסה שקולה לאנרגיה, הנויטרון אינו יכול לדעוך לפיל. חוק שימור האנרגיה מונע את התהליך הזה.
הלקח שאנו לומדים מהדוגמא הנ״ל היא שתהליכים פיזיקלים ייתכנו בכפוף לחוקי שימור. חוקי שימור קובעים שקיימים גדלים פיזיקלים כגון אנרגיה או מטען חשמלי שערכם חייב להיות זהה לפני תחילת התהליך ובסופו. רק תהליכים שמכבדים את חוקי השימור יכולים להתרחש.
הבה נחזור לנושא שלשמו התכנסנו כאן: האם הפרוטון יכול לדעוך לחלקיקים אחרים, כאלו שמסתם קטנה יותר ממסתו [2]?
האם, למשל, יכול הפרוטון לדעוך לפוזיטרון - חלקיק בעל מטען חשמלי חיובי, האנטי-חלקיק של האלטרון - ולחלקיק נוסף חסר מטען חשמלי הנקרא פוטון (חלקיק האור).
לכאורה, עושה הרושם שהתהליך הזה ייתכן מאחר שגם המטען החשמלי וגם האנרגיה נשמרים בו. המטען החשמלי לפני ההתפרקות זהה למטען החשמלי הכולל אחרי ההתפרקות וכך גם האנרגיה. מאידך, תהליך פיזיקלי זה מעולם לא נצפה בטבע. מדוע?
ובכן, מסתבר שבטבע קיים מטען הקרוי ״מטען בריוני״. הפרוטון הוא בריון ולו מטען בריוני. לפוזיטרון ולפוטון אין מטען בריוני. תהליך בו פרוטון ייעלם וייהפך לפוזיטרון ולפוטון יפר את איזון המטען הבריוני.
כעת אנו מגיעים ללב הסוגייה: האם מטען בריוני נשמר בטבע? התשובה היא שלא לגמרי ברור. במסגרת המודל הסטנדרטי של החלקיקים האלמנטריים, אותו המודל שמאושש מדיי יום ביומו במאיץ החלקיקים בז׳נבה, קיים סכוי קטן לאי-שימור המטען הבריוני.
אולם המודל הסטנדרטי הוא לא סוף הסיפור. אנו הפיזיקאים התאורטיים חושדים שקיים מודל מקיף יותר, מעבר למודל הסטנדרטי, מודל בו כל הכוחות, מלבד הכבידה, מאוחדים. מודלים כאלה מכונים תורה מאוחדת גדולה -  Grand Unified Theory - או GUT בקיצור. בתאוריית איחוד של הכוחות [3] המטען הבריוני איננו גודל שמור ותאוריות אלו חוזות את התפרקות הפרוטון. במסגרת תאוריות אלו פרוטון עשוי להתפרק אחרי כעשר בחזקת שלושים וחמש שנה.
זמן חיים של עשר בחזקת שלושים וחמש שנה הוא עצום, ארוך לאין שיעור מגיל הייקום, אבל זה משך הזמן הממוצע שנצטרך לחכות אם אנחנו ממתינים להתפרקותו של פרוטון בודד. כאשר יש בידינו אוסף גדול של פרוטונים, ניתן להבחין בהתפרקות אחד הפרוטונים תוך פרק זמן קצר יותר.
בניסוי ״סופר-קמיוקנדה״ אשר ביפן מנסים לבדוק האם הפרוטון יציב. עד כה לא נצפתה דעיכת הפרוטון ולפיכך המסקנה בהתאם לסטטיסטיקה שנאספה עד כה היא שזמן החיים של הפרוטון היא לפחות עשר בחזקת שלושים וארבע שנה.
אז האם הפרוטון יציב? ייתכן שנדע את התשובה לשאלה זאת בעוד מספר שנים.
 
עדי ארמוני הוא פרופסור לפיזיקה תאורטית של חלקיקים.
מוקדש באהבה לצרי בריקנר שבהשראתו נכתב הפוסט.
 
לקריאה נוספת:

1. על התפרקות בטא
2. על דעיכת פרוטונים
3. על תורה מאוחדת גדולה