質子衰變，這一曾是“大統一理論”（GUTs）在20世紀70年代末80年代初的預測之一，近年來再次引發了物理學界的廣泛討論。不同於電子和中子的穩定性，質子作為原子核的核心，是否會在某一天衰變成其他粒子，一直是基礎物理學的一個懸而未決的問題。現如今，實驗結果已經將質子衰變的壽命限制在了10^34年左右，遠遠超出了宇宙的年齡。

그러나 실험적으로 설정된 "양성자 붕괴 수명"은 지구 실험 환경의 결과와 현대 물리학의 배경에 기반하고 있다는 점에 주목할 가치가 있습니다. 그러나 물리학자들은 그러한 결과가 우주의 다른 부분이나 다른 시간 척도에 적용될 수 있는지에 대해 의문을 갖기 시작했다. 간단히 말해서, 양성자 붕괴의 특성은 공간과 시간에 따라 변합니까?

브룩헤이븐 국립연구소(Brookhaven National Laboratory)의 피터 덴튼(Peter Denton)과 후먼 다부디아슬(Hooman Davoudiasl)은 새로운 관점을 제시한다. 그들은 다음과 같이 제안합니다.만약 양성자가 붕괴한다고 가정한다면, 붕괴 속도는 우주 환경마다 크게 다를 수 있다.구체적으로 말하자면, 그들은 두 개의 극한 환경, 즉 지구의 철핵과 중성자별을 고려하여 이 장소에서 양성자의 붕괴 수명을 추측했다.

이론적으로 양성자의 붕괴 과정은 다양한 형태를 취할 수 있으며, 가능한 붕괴 채널 중 하나는 양성자가 양성 중간자와 암흑 물질 페르미온으로 붕괴하는 것입니다. 이름에서 알 수 있듯이 이러한 입자는 표준 모델의 입자와 거의 상호 작용하지 않기 때문에 실험에서 직접 관찰하기가 어렵습니다. 붕괴 과정이 이 암흑 물질 페르미온을 포함하고, 이 페르미온의 질량이 양성자의 질량에서 양성 중간자의 질량을 뺀 값보다 작다면, 양성자의 붕괴 과정은 실험적으로 관찰된 것보다 훨씬 빠를 수 있습니다.

그러나 이는 시작점일 뿐이며 문제의 복잡성은 이 모델이 다룰 수 있는 수준을 훨씬 넘어섭니다. 예를 들어, 양성자의 붕괴 속도가 실제로 공간과 시간의 영향을 받는다면 붕괴 수명을 어떻게 정의할 수 있습니까? 34^0년 이상의 양성자 수명은 지구에서의 실험이 무시할 수 있을 만큼 충분히 긴 것처럼 보이지만, 이 기준이 다른 곳이나 다른 시기에도 여전히 유효합니까?

지구의 철핵의 경우, Denton과 Davout Assr의 연구는 양성자가 실험적으로 관찰된 것보다 훨씬 빠르게 붕괴한다면, 양성자가 생성할 수 있는 열이 지구 핵의 상태에 직접적인 영향을 미칠 것임을 보여줍니다. 지구의 내핵이 단단하게 남아 있는 이유 중 하나는 지구를 녹일 만큼 뜨겁지 않기 때문입니다. 양성자의 붕괴 속도가 너무 빠르면 발생하는 열로 인해 핵이 과열되어 지구의 지질학적 구조가 바뀔 수 있습니다. 그러나 현재로서는 이러한 일이 발생하지 않았습니다. 그들의 계산에 따르면, 만약 양성자의 붕괴 속도가 예상 가속 수준에 도달했다면, 지구의 철핵은 약 18억 년 전에 완전히 녹았을 것이며, 이 결과는 지질학자들의 추정치와 명백히 일치하지 않는다. 그러므로, 그들의 추론은 양성자의 붕괴 수명이 적어도 0×0^0년보다 크다는 것을 시사한다.

또 다른 아이디어는 지구에서 다른 천체, 특히 중성자별까지 지평선을 확장하는 것입니다. 중성자별은 주변 온도가 극히 낮고 나이가 제한되어 있기 때문에 과학자들은 양성자 붕괴를 들여다볼 수 있는 중요한 창이 될 수 있다고 추측합니다. Denton과 Davout Assr은 양성자 붕괴 수명도 중성자별의 열 생산에 결정적인 영향을 미친다는 것을 발견했습니다. 만약 양성자의 붕괴 속도가 너무 빠르면, 그 별은 현재의 물리적 모델과 일치하지 않는 열의 축적으로 인해 비정상적으로 행동할 것이다. 이러한 분석을 통해 그들은 양성자 붕괴 수명이 18.0×0^0년보다 커야 하며, 이 추정치는 커널 열 모델의 추정 값에 가깝다고 추측했습니다.

물론, 양성자 붕괴에 대한 연구는 이러한 이론적 유도에만 국한되지 않습니다. 더 긴 시간 척도에 대한 연구를 위해 물리학자들은 "고대 검출기"라는 가설을 제안하기도 했습니다. 이 아이디어는 달의 광물에 대한 연구에서 나왔습니다. 양성자의 붕괴가 매우 오랜 시간 동안 자연에 영향을 미칠 수 있다고 가정하면, 달에서 수 킬로미터 아래의 깊이에서 감람석 샘플을 채취하여 붕괴의 흔적을 찾을 수 있을 것입니다. 이 "고대 탐사선"의 실험적 설계는 양성자 붕괴 문제에 대한 추가적인 검증일 뿐만 아니라, 수십억 년 또는 그 이상에 걸친 시간 척도를 관찰할 수 있는 기회를 제공한다.

이러한 논의는 동떨어진 것처럼 보일지 모르지만, 물질의 기본 구조에 대한 우리의 이해와 밀접한 관련이 있습니다. 양성자 붕괴 모델로부터, 우리는 대통일이론이 자연의 법칙을 정확하게 설명할 수 있는지에 대해 성찰할 수 있을 뿐만 아니라, 우주의 진화에 있어서 근본적인 법칙들을 엿볼 수 있다. 어쨌든, 만약 양성자 붕괴가 존재한다면, 그리고 이 붕괴 속도가 시간과 공간에 따라 다르다면, 그것은 의심할 여지 없이 새로운 물리 법칙의 "지문"이 될 것이며, 우리가 우주의 더 많은 비밀을 해독하는 데 도움이 될 것이다.