质子衰变的最终边界

我们提出一种新颖的实验概念来搜索质子衰变。通过使用古生物探测器，从深地下获取的能够保留带电粒子痕迹的古老矿物，可能正在搜索 $p \to \bar{\nu} K^+$ 通过测量位于 K+ 端点的轨迹。由于大气中微子造成的背景噪声，这种搜索在地球上是不可行的。然而，月球提供了对这种背景的减弱，由于月球缺乏大气，月球上常规成分的 cosmic-ray-induced neutrino flux 显著抑制。对于一份 100 g、$10^9$ 年-old (100 kton$\cdot$year 曝光) 从月球提取的橄榄石样本，我们预计大约会有 0.5 个 K+ 端点由于中微子背景（包括二次相互作用）造成。 如果能够获取并高效地分析这种月球古生物探测器样本，可能实现超过 $\tau_p\sim10^{34}$ 年的质子衰变灵敏度，这与 Super-Kamiokande 当前公开的限制 ($\tau_p>5.9\times 10^{33}$ 年 at 90% CL) 以及 DUNE 和 Hyper-Kamiokande 在 $p \to \bar{\nu} K^+$ 通道中预测的覆盖范围相似。这一概念显然具有前瞻性，至少在从月球数公里深的地下提取矿物样本并以亚微米分辨率高效扫描它们以寻找 K+ 端点诱导的晶体缺陷方面还有挑战。然而，质子衰变的搜索迫切需要一种范式转变，古生物探测器可能为传统实验提供一个有前景的替代方案。