幾十年來，質子一直被認為是一種幾乎永恒穩定的粒子。其壽命之長，經實驗證明遠遠超過宇宙的年齡，奠定了我們對物質及其支配它的基本規律的理解。然而，粒子物理標準模型之外的理論框架表明，質子可能并非真正不朽。那么問題就來了：如果質子能夠衰變，這個過程可能發生得多快，而這樣的發現會對我們理解宇宙產生什么影響呢？

標準模型，我們目前對基本粒子及其相互作用的最佳描述，優雅地解釋了大量的現象。在其框架內，質子由于重子數守恒而非常穩定，這是一個在所有已知相互作用中保持不變的基本量子數。重子，包括質子和中子，以重子數+1為特征。在標準模型中，沒有任何相互作用可以改變系統的總重子數，從而禁止最輕的重子（即質子），衰變為更輕的非重子粒子，如正電子和光子。

然而，標準模型并不被認為是萬物理論。它遺留了幾個基本的未解之謎，例如中微子質量的起源以及暗物質和暗能量的性質。為了解決這些缺陷，物理學家已經提出了標準模型的各種擴展，包括大統一理論（GUTs）和超對稱理論。這些理論通常在高能量下統一了自然的基本力，并且這樣做時，它們引入了新的粒子和相互作用，這些粒子和相互作用可以違反重子數守恒，從而允許質子衰變。

例如，在 GUTs 的背景下，質子被理論化為通過極重粒子的介導而衰變，這些粒子通常被稱為 X 和 Y 玻色子。這些假設的玻色子，質量約為 10^15 到 10^16 GeV（遠超當前粒子加速器的能力），可以促進夸克和輕子之間的躍遷，有效地將質子（由三個夸克組成）轉化為更輕的粒子，如正電子和一個中性 π 介子。這種衰變的概率與這些介導玻色子的質量的四次方成反比，這意味著如果這些粒子非常重，質子的壽命將極其漫長。

在這些理論可能性的驅動下，已經進行了廣泛的實驗努力來直接觀察質子衰變。巨大的地下探測器，屏蔽了宇宙射線，被建造用來監測大量物質中衰變質子的明顯跡象，例如同時發射一個正電子和一個 π 介子。經過數十年的尋找，尚未發現質子衰變的明確證據。這些零結果使得科學家能夠設定越來越嚴格的質子壽命下限。目前，最可靠的下限，來自日本的超級神岡探測器實驗，將質子的半衰期設定為驚人的 1.67 × 10^34 年。從這個角度來看，這大約是宇宙年齡的 10^24 倍！

這個實驗確定的下限對理論模型具有重要的意義。許多早期、更簡單的大統一理論，預測的質子壽命在早期實驗的探測范圍內，已經被有效地排除。更復雜的大統一理論和超對稱模型可以通過調用更重的介導粒子或更復雜的衰變機制來適應觀察到的質子的穩定性。然而，即使在這些更精密的框架內，質子衰變仍然是一個關鍵的預測，并且尋找仍在繼續，下一代實驗旨在獲得更高的靈敏度。

然而，最近發表在《物理評論 D》上的一篇論文，題為“質子究竟能以多快的速度衰變？”，以一種新穎的視角重新審視了這個問題。作者提出，雖然我們周圍的質子看起來非常穩定，但在某些條件下或在宇宙的不同區域，它們的衰變速率可能要高得多。

他們的核心論點依賴于疇壁的可能性，這是一種假設的拓撲缺陷，可以在早期宇宙的相變過程中出現在時空結構中。這些疇壁可能捕獲或濃縮在大統一理論中介導質子衰變的非常重的粒子。如果一個質子與這樣的疇壁相互作用，控制衰變的有效質量尺度可能會顯著降低，從而導致更快的衰變速率。

該論文表明，在某些環境中，例如在這些疇壁內，或者可能在地球相對較近的過去，由于特定的宇宙事件，質子的壽命可能比當前的實驗極限縮短多達 15 個數量級。這意味著在這些區域或那些時間，質子可能在遠短于宇宙年齡的時間尺度上衰變，可能留下可觀察到的信號。

作者探討了幾個質子衰變的潛在信號。例如，他們認為天然氣中特定碳同位素的低比例是一個潛在的線索。他們還討論了一種具有特定半衰期的額外碳源的可能性，該半衰期可能與質子衰變產物有關。雖然這些目前只是推測，但它們突出了間接探測這種奇異場景的潛在途徑。

如果質子在某些情況下確實可以衰變得更快，這將需要對我們理解基本物理學和宇宙學進行重大的修正。它可以為一些目前無法解釋的現象提供解釋，例如宇宙中觀察到的物質-反物質不對稱性。早期宇宙中更快的質子衰變可能會影響輕元素的形成以及宇宙隨后的演化。此外，存在增強質子衰變的疇壁或其他奇異結構將為探索標準模型之外的物理學開辟新的途徑。

然而，至關重要的是要強調，在特定環境中質子衰變速度顯著加快的假設仍然是高度推測性的，需要進一步的理論和實驗驗證。目前質子衰變的實驗極限仍然非常嚴格，并且適用于我們可觀測宇宙中質子的平均行為。最近論文中提出的場景依賴于特定的宇宙結構和條件的存在，而這些結構和條件本身尚未得到證實。