尽管实验表明质子的寿命极长，远超宇宙年龄，但它是否终将衰变仍然是物理学中的一个核心谜题。理论上，质子衰变是可能的，并且与宇宙为何由物质而非反物质构成这一重大问题紧密相连。为了解释这种物质-反物质不对称性，物理学理论要求存在违反“重子数守恒”的过程，而质子衰变正是这样一个过程。尽管通过大型地下探测器进行了长达数十年的搜寻，我们仍未观测到任何质子衰变的迹象，但这并未终结探索，只是为质子的稳定性设定了越来越高的下限。
为什么会怀疑质子是稳定的？
我们知道的绝大多数原子同位素都是不稳定的，它们会随时间衰变成更稳定的形态。一个粒子是否会衰变，取决于两个关键因素：
- 是否存在一个能量更低、更稳定的状态可供其跃迁。
- 是否有基本的物理学定律 绝对禁止 这种跃迁。
在量子世界中，有一个基本原则：
任何未被禁止的事情都必然会发生。
这意味着，如果不存在一条绝对的守恒定律来阻止质子衰变，那么只要时间足够长，它就应该会衰变。普通放射性衰变（如β衰变）之所以会发生，是因为它遵守了能量、电荷、重子数和轻子数等所有守恒定律。
然而，质子衰变则不同。任何已知的质子衰变路径都必须违反 重子数守恒 和 轻子数守恒 这两条定律，尽管它们可以遵守一个组合定律，即“重子数减去轻子数”（B – L）守恒。
连接宇宙起源的重大谜题
我们之所以强烈怀疑质子会衰变，根本原因在于我们自身的存在。宇宙中的一切——恒星、行星和我们——都是由物质构成的，而不是反物质。根据物理学定律，能量转化为物质时，应该产生等量的物质和反物质。那么，我们宇宙中的物质是如何多出来的呢？
这个问题被称为 重子生成之谜 (baryogenesis puzzle)。为了让宇宙从一个物质与反物质对称的状态演变为今天物质占主导的局面，必须满足三个条件（即萨哈罗夫条件）：
- 宇宙必须经历一个脱离热平衡的过程（早期宇宙的“大爆炸”就符合这一点）。
- 必须存在破坏“电荷-宇称联合对称性”（CP对称性）的过程（弱相互作用中已观测到）。
- 必须存在违反重子数守恒的反应。
我们生活的宇宙证明了这三个条件在过去必然被满足过。因此，违反重子数守恒的过程一定发生过，这意味着，在合适的条件下，质子应该是不稳定的。
我们如何寻找质子衰变？
既然理论上质子会衰变，我们只需聚集足够多的质子，并用足够灵敏的探测器长时间观察，就有可能捕捉到这一事件。实验正是这样做的：
- 建造巨大的探测器：通常是在地下深处建造一个巨大的容器，里面装满水或其它富含质子的物质，以屏蔽宇宙射线的干扰。
- 部署高灵敏度传感器：容器壁上布满光电倍增管，用于捕捉质子衰变时可能产生的微弱闪光。
- 耐心等待：科学家们会持续监测这些巨大的“质子集合体”，等待一个明确无误的衰变信号出现。
包括超级神冈探测器在内的大型中微子探测器，其主要任务之一就是寻找质子衰变。它们实际上就是为了这个目的而建造的。
结论：一个悬而未决的问题
到目前为止，所有实验都未能观测到任何一次质子衰变。
这些实验结果为质子的寿命设定了一个惊人的下限：至少为 10³⁴ 年。这个数字比宇宙的年龄（约 10¹⁰ 年）长了无数倍。这一结果已经排除了许多最简单的“大统一理论”模型，例如，早期的 SU(5) 模型预测质子寿命约为 10³⁰ 年，这显然与观测相悖。
尽管如此，这并不意味着质子是绝对稳定的。这只说明，如果它会衰变，其过程会比我们最初想象的更为罕见和漫长。我们不知道质子是否稳定，但对这个问题的追寻，不仅推动了粒子物理学的发展，也让我们得以窥探宇宙最深层的起源之谜。