自19世紀發現放射性以來，人類終於意識到：宇宙中沒有永恆的東西，一切都會消失。放射性不僅限於鈾，還有其他各種各樣的元素和同位素，包括比元素週期表中的鉛重的每個元素，還有粒子中底部或頂部的夸克，μ子和τ子， 甚至中子。
- 圖注：諸如超級神岡(Super-Kamiokande)這樣的實驗，它包含著巨大的（富含質子的）水罐，周圍環繞著探測器陣列，是人類尋找質子衰變的最敏感的工具。到2020年初，我們只有潛在的質子衰變的限制，但始終沒有檢測到相關的有信號。
足以讓人懷疑我們所知道的最輕的“穩定”複合粒子（質子）究竟是否真正穩定，或者如果我們等待足夠長的時間，它最終是否會衰變。即使宇宙只有138億年的歷史，我們已經可以自信地說質子至少在大約10^34年內是穩定的。
- 圖注：質子的內部結構，顯示夸克、膠子和夸克自旋。核力的作用就像彈簧，當未拉伸但巨大、有吸引力的力伸展到長距離時，其力可以忽略不計。據我們所知，質子是一個真正穩定的粒子，從未被觀察到衰變。
由於粒子物理學的各種守恆定律，質子只能衰變成比其本身輕的粒子。它不能衰變成中子或三個夸克的任何其他組合。衰變必須保留電荷，這告訴我們最終仍然需要帶正電的粒子。為了節省能量和動量，我們需要至少產生兩個粒子，而不是一個。
最後，如果我們在宇宙中丟失了一個重子（由三夸克組成），則必須添加一個前向子（如正電子或反μ子）以補償它並保持標準模型的守恆規則 ：重子數減去輕子數不得改變。 這意味著質子可以衰減為正電子和中性介子（如介子），介子和中性介子，或反中微子和帶正電的介子。
- 圖注：人體中的元素。雖然，從質量，我們主要是氧氣，碳，氮和氫，有幾十個元素，在人體內的生命過程是必不可少的。有超過10^28個質子組成一個典型的成年人體。
僅僅從我們自己身體，我們可以學到一些關於質子有多穩定的迷人的東西。考慮到我們每個人都主要由質子和中子混合組成，我們體內大約有2×10^28個質子。然而，為了保持我們作為哺乳動物的平衡溫度，一個典型的成年人類必須輸出大約100瓦的連續功率。
如果我們忽視我們的生物代謝，並假設這種熱能100%來自衰變的質子，那就意味著大約7000億個質子會在每一秒內衰變。但是，考慮到我們在任何特定時間擁有的質子數量，這意味著只有每30萬億分之一的質子每秒會衰減。僅僅通過探測我們自己的身體，這相當於質子的最小壽命約10億年。
- 圖注：質子衰變的兩種可能途徑從其基本成分粒子的轉化中闡明出來。這些過程從未被觀察到，但理論上在標準模型的許多擴展中是允許的，例如 SU（5） 大統一理論。
但是，通過進行旨在尋找質子衰變的實驗，我們可以做得更好。如果你所做的只是只用一個質子，等待138億年——整個宇宙的年齡——你可以確定它的半壽命可能比你等待的總時間長。
但是，如果我們收集了大約10^30個質子，只等了一年，如果它們都沒有衰變，我們就能說它的半衰程可能比10^30年長。如果我們收集了100倍的質子（10^32），並等待了十年（10年），而不是僅僅一年，你就能得出結論，質子的半壽命超過10^33年。簡而言之：
- 我們收集的質子越多，
- 我們對其中一個質子的衰變就會更敏感，
- 我們等的時間越長
我們對質子穩定性的限制就越大。
- 圖注：無論是在星系團、星系、我們自己的恆星附近還是我們的太陽系中，我們對宇宙中反物質的分之子都有巨大而強大的限制。毫無疑問：宇宙中的一切，從行星到恆星，從星系團到星系間介質，都是以物質為主導的。
從理論上講，有充分理由認為質子可能根本不穩定。事實上，整個我們的宇宙似乎是由物質而不是反物質構成的。無論我們在哪裡，在廣闊的宇宙裡，我們看到壓倒性的證據表明，每一個恆星，星系，星系團，甚至星系間介質都是物質構成的。
反物質幾乎找不到，它僅由高能過程產生，它能產生等量物質和反物質的高能。我們可以為解釋宇宙不對稱而製造的每一個場景都需要新的物理學存在，其中每一個場景都需要存在新的粒子，這些粒子將在非常高的能量下出現。例如，在大統一理論（GUTs）中，預測了新的超重X和Y玻色子的存在，它們可以解決我們宇宙物質反物質不對稱的難題。
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- 圖注：同樣對稱的物質和反物質（X 和 Y，反 X 和反 Y）玻色子集合，具有正確的 GUT 特性，可以產生我們今天在宇宙中找到的物質/反物質不對稱。然而，我們假設，我們今天觀察到的物質反物質不對稱是否有一個物理意義的解釋，而不是神的解釋，但我們還不能確定。
問題是：為了創建物質反物質不對稱，你需要一個新的粒子。而新粒子所需的反應必須以某種方式與質子耦合，這告訴我們質子的質量（到某些能量）和這個新粒子的質量（到同樣的功率減去1）的某種組合與質子的理論壽命相對應。對於大多數我們發明的模型，預測壽命的工作時間介於 10^31 到 10^39 年之間。
在每一升水中，大約有3×10^25個氫原子，這意味著還有許多單獨的質子。如果你收集了一百萬升水，等待了一年，你可以以有意義的方式測量質子的壽命，開始推動這些GUTs和其他理論（超對稱、超引力、弦理論等）預測的界限。
- 圖注：裝滿水的超級神岡實驗水箱，對質子的壽命設定了最嚴格的限制。這個巨大的罐子不僅裝滿了液體，而且內襯著光電倍增管。當相互作用發生時，如中微子撞擊、放射性衰變或（理論上）質子衰變，契倫科夫輻射光產生，並可以通過光電倍增管檢測，使我們能夠重建粒子的特性和起源。
從20世紀80年代初開始，物理學家們就試圖做到這一點。在日本的一個老礦神岡，物理學家建造了一個巨大的罐子，裡面裝滿了液體，裡面裝滿了我們所希望的所有質子。他們保護了箱體免受宇宙射線、地球上的放射性物質以及他們所能想到的任何其他干擾源的影響，同時在箱體內裝有大量的光電倍增管。
如果任何質子衰變，它們會產生帶電粒子（正電子、反子或離子），以及額外的衰變產物（如光子或電子淋浴），從而產生光倍增器可以看到的光信號。多年來，這個實驗一直在尋找質子衰變：神岡核衰變實驗。
- 圖注：中微子事件，由切倫科夫輻射環識別，沿射圖器管排列在探測器壁上，展示了中微子天文學的成功方法，並利用了切倫科夫輻射。這張圖片顯示了多個事件，是一套實驗的一部分，為加深對中微子的理解鋪平了道路。1987年探測到的中微子標誌著中微子天文學的曙光，標誌著核衰變實驗被重新命名為中微子探測器實驗。
當然，它沒有發現任何質子衰變。然而，在1987年，發生了一些壯觀的事情：一顆超新星在大麥哲倫雲中，在距離地球只有168，000光年的地方爆炸。甚至在這次事件的光到來之前，在這個恆星的坍塌核心中產生的中微子也出現了，並與這個巨大的罐子中的原子核相互作用。（以及世界各地的其他類似實驗）。
實驗裝置，包括光電倍增管，經過優化，用於檢測衰變的質子，也非常善於探測中微子。雖然質子沒有衰變，但中微子確實存在，並且與足夠大的物質集合相互作用。神岡核衰變實驗，被重新命名為神岡中微子探測器實驗。它隨後被多次擴展，並與冰立方（IceCube）、薩德伯裡(SNOLAB)等一起，在少數世界級的中微子觀測站中贏得一席之地。
- 圖注：薩德伯裡(SNOLAB)中微子觀測站，它有助於證明中微子振盪和中微子的浩大。薩德伯裡與世界各地的許多中微子觀測站一起，幫助將現代物理學中對質子衰變的一些最嚴格的約束因素放在了一起。
但隨著時間的推移，對質子衰變週期的限制變得越來越嚴格。最近對2010年代數據的分析，正電子衰變通道和反μ子衰變通道對現在超過10^34年質子的壽命提出較低的限制。最簡單的方法，如Georgi-Glashow unification已被徹底排除在外，除非宇宙是超對稱的，幷包含額外的維度，而即使這些場景預計將在2020年晚些時候下降。
唯一未探索的"漏洞"可能是，真正自由質子實際上相當罕見，因為我們通常發現它們結合在較重的核、分子和原子中。氫原子中的"自由質子"的質量仍比沒有電子結合的質子低約0.00001%。當一個自由中子在大約15分鐘內衰變時，在較重的原子核中結合在一起的中子可以永遠穩定。我們測量的質子可能因為不能完全自由，可能並不代表真正的質子的壽命。
- 圖注：我們在所有實驗儀器中觀察到的所有質子，我們從未見過與質子衰變一致的事件。
然而，沒有爭論，在我們所有的努力來衡量質子的穩定性，我們從來沒有觀察到，甚至一個事件，質子自發衰變到較輕的粒子，並違反了重子數守恆定律。如果質子是真正穩定的，永遠不會衰變，這意味著大量的標準模型擴展——大統一理論、超對稱、超重力和絃理論——無法描述我們的宇宙。
不管質子是真的永久穩定還是"唯一"在宇宙的當前年齡穩定，我們唯一的辦法就是進行關鍵實驗，觀察宇宙的表現。我們有一個幾乎完全沒有反物質而是充滿物質的宇宙，沒有人知道為什麼。如果質子被證明是真正穩定的，那麼是什麼可能導致它將被排除在外，這是我們在未來需要研究明白的課題。
大自然的秘密可能會在一段時間保持神秘，但只要我們繼續尋找，我們總會有新的革命性發現。
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