Mogelijke aanwijzing voor het bestaan van protonverval

Fysici van de Tufts Universiteit in Medford (VS) menen een aanwijzing te hebben gevonden voor het verval van protonen. Zij hebben de metingen van een Japanse neutrinodector nog eens nader bestudeerd en concluderen dat een aantal detecties zou kunnen worden toegeschreven aan het verval van protonen. Dit zou betekenen dat het proton, een van de twee bouwstenen van atoomkernen, niet oneindig lang stabiel is, maar op een gegeven moment verdwijnt.

Van de andere bouwsteen van atoomkernen, het neutron, is al lang bekend dat het in vrije toestand niet stabiel is. Na een kwartier valt het uiteen in een proton en een elektron. Van het proton werd gedacht dat het wèl stabiel was, maar in 1974 voorspelden de Amerikanen Glashow en Georgi dat ook dit uiteen valt. Het was een van de consequenties van hun theorie van de vereniging van deeltjes en natuurkrachten en het hield in dat uiteindelijk alle materie gedoemd was te verdwijnen.

De voorspelde halveringstijd van het proton was 10³º jaar: dan zou de helft van een gegeven aantal zijn verdwenen. Om dit uiterst trage proces te kunnen meten, zou men heel veel protonen in de gaten moeten houden. Dit deed men met enorme waterbassins diep onder de grond. Zou een proton (van een waterstof- of zuurstofatoom) hierin vervallen, dan zou het daarbij gevormde positron (anti-elektron) een lichtflitsje produceren. De grote diepte was nodig om storingen van deeltjes uit de kosmische straling zo klein mogelijk te houden.

Aanvankelijk werden er enkele mogelijke detecties gemeld, maar die waren verre van overtuigend. Uiteindelijk kon men niet méér concluderen dan dat de vervaltijd van het proton minstens 10³¹ jaar bedraagt. Inmiddels werden de detectoren ook gebruikt voor het opvangen van neutrino's: deeltjes die ontstaan tijdens de kernreacties in de zon en bij het blijven steken in een waterbassin ook een lichtflitsje produceren.

Nu ontstaan neutrino's echter ook in de aardatmosfeer tijdens botsingen met deeltjes van de kosmische straling. Ook die neutrino's worden in de ondergrondse detectoren waargenomen. Al in 1988 werd gemeld dat het aantal signalen van deze neutrino's in de Kamiokande-detector in Japan iets afwijkt van de verwachting. Deze afwijking is nu nogmaals bestudeerd door drie Amerikaanse fysici en die trekken nogal voorzichtig de conclusie dat de afwijking verdwijnt wanneer een aantal signalen afkomstig zou zijn van protonverval. Dit zou 37 keer kunnen zijn gebeurd en zou inhouden dat de levensduur van het proton 4.10³¹ jaar is (Physics Letters B 291, p. 200).

Het probleem bij dit soort onderzoek is dat het protonsignaal zich niet onderscheidt van het neutrinosignaal. Conclusies zijn dus gebaseerd op statistisch onderzoek. Maar dat is mede gezien de geringe aantallen waar het om gaat niet eenvoudig. Alle ogen zijn daarom gericht op de opvolger van de Japanse Kamiokande, de Super-Kamiokande, die een detector van 50.000 ton water krijgt (de huidige heeft er 3000). Deze detector, die in 1996 gereed moet zijn, is in eerste instantie bedoeld voor het vangen van neutrino's, maar zal ook worden gebruikt voor het zoeken naar protonverval. Met deze detector zal men vervaltijden van 10³³ à 10³4 jaar kunnen meten, als er tenminste protonen willen vervallen.