Seit Jahrzehnten versuchen Physiker, ein Modell der Quantengravitation zu entwickeln, das die Quanten vereinheitlichen würde
Aber einige der Modelle sagen den Effekt vorauswas im Labor untersucht werden kann: eine geringfügige Verletzung eines fundamentalen Quantenprinzips, das als Pauli-Ausschlussprinzip bekannt ist. Sie bestimmt zum Beispiel, wie Elektronen in Atomen angeordnet sind. Genau daran arbeiten die Mitarbeiter des INFN-Untergrundlaborprojekts unter dem Gran-Sasso-Gebirge in Italien. Ihr Ziel ist es, nach Anzeichen von Strahlung zu suchen, die durch eine solche Verletzung verursacht werden, in Form von atomaren Übergängen, die durch das Pauli-Prinzip verboten sind.
Ob ihnen das gelungen ist, haben die Wissenschaftler in zwei in den Fachzeitschriften Physical Review Letters und Physical Review D veröffentlichten Artikeln beschrieben.
Wie funktioniert das Pauli-Prinzip?
Im Chemieunterricht der Schule bringen sie diesen Elektronen beiin Atomen nur auf eine bestimmte Weise angeordnet. Es stellt sich heraus, dass dies dem Pauli-Ausschlussprinzip geschuldet ist. Im Zentrum eines Atoms befindet sich der Atomkern, umgeben von Orbitalen mit Elektronen. Das erste Orbital zum Beispiel enthält nur zwei Elektronen.
Das Pauli-Ausschlussprinzip, formuliertDer österreichische Physiker Wolfang Pauli stellte 1925 fest, dass keine zwei Elektronen denselben Quantenzustand haben können. Im ersten Orbital eines Atoms können also zwei Elektronen entgegengesetzt gerichtete Spins haben. Diese quantenintrinsische Eigenschaft wird normalerweise als Auf- oder Ab-Rotationsachse dargestellt, obwohl das Elektron keine Achse im wörtlichen Sinne hat.
Quanten-Gravitations-Photonen-Rennen. Foto: NASA
Im Wesentlichen bedeutet dies, dass Materie allein dies nicht kanndurch einen anderen gehen. Wie die Wissenschaftler erklären, funktioniert das überall – „du, ich, wir richten uns nach dem Pauli-Ausschlussprinzip.“ Das einfachste Beispiel für dieses Gesetz ist die Tatsache, dass Menschen nicht durch Wände gehen können.
Dieses Prinzip gilt für alle elementarenTeilchen, die zur gleichen Familie wie Elektronen gehören und als Fermionen bekannt sind. Es wurde mathematisch aus einem fundamentalen Theorem abgeleitet, das als Spin-Statistik-Theorem bekannt ist. Auch das Pauli-Ausschlussprinzip wurde experimentell bestätigt. Bisher wurde angenommen, dass dies für alle Fermionen gilt. Das Pauli-Ausschlussprinzip ist eines der Grundprinzipien des Standardmodells der Teilchenphysik.
Verstoß gegen das Prinzip
Aber einigen spekulativen Theorien zufolgedie über das Standardmodell hinausgehen, kann dieses Prinzip verletzt werden. Seit Jahrzehnten suchen Physiker nach einer grundlegenden Theorie der Realität. Das Standardmodell eignet sich hervorragend zur Erklärung von Teilchenverhalten, Wechselwirkungen und Quantenprozessen auf der Mikroebene. Die Schwerkraft ist jedoch nicht enthalten.
Physiker versuchen also, eine Vereinheitlichung zu entwickelndie Theorie der Quantengravitation, von der einige Versionen vorhersagen, dass verschiedene Eigenschaften, die dem Standardmodell zugrunde liegen, wie das Pauli-Ausschlussprinzip, unter extremen Umständen verletzt werden können.
Zum Beispiel sind viele dieser Störungen natürlichkommen in den sogenannten nicht-kommutativen Theorien und Modellen der Quantengravitation vor. Eine der bekanntesten ist die Stringtheorie. Sie beschreibt Elementarteilchen als winzige vibrierende Energiefäden in multidimensionalen Räumen. Einige Modelle der Stringtheorie sagen ebenfalls eine solche Verletzung voraus.
Schwierigkeit der Überprüfung
Es wird traditionell angenommen, dass solche Vorhersagenschwer zu überprüfen. Die Quantengravitation ist nur an Orten „organisch“, an denen eine riesige Menge an Schwerkraft auf engstem Raum konzentriert ist. Das einfachste Beispiel ist das Zentrum eines Schwarzen Lochs, der Geburtsort des Universums.
Die Autoren der neuen Studie haben sich jedoch eine Alternative ausgedacht. Der Effekt der Verletzung des Ausschlussprinzips und des Spin-Statistik-Theorems kann in Laborexperimenten auf der Erde nachgewiesen werden.
Tief unter dem Gran Sasso-Gebirge, etwas außerhalb der StadtIn L'Aquila in Italien arbeiten Physiker am VIP-2-Experiment, um das Pauli-Prinzip zu verletzen. Die Spezialapparatur basiert auf einem dicken Block aus römischem Blei, neben dem sich ein Germaniumdetektor befindet. Es nimmt kleine Spuren von Strahlung auf, die vom Metall ausgehen.
Unterirdisches Labor mit geringer Radioaktivität in Gran Sasso.
Foto: Massimiliano De Deo, LNGS-INFN
Die Idee ist, dass wenn das Verbotsprinzip giltPauli verletzt wird, findet innerhalb des Bleis ein "verbotener" Atomübergang statt, der Röntgenstrahlen mit einem deutlichen Energiesignal erzeugt. Es wird von einem Germanium-Detektor erfasst.
Raumstille
Das Labor wurde speziell unterirdisch platziert,weil die Strahlung eines solchen Prozesses so schwach wäre, dass sie sonst von der allgemeinen Hintergrundstrahlung der kosmischen Strahlung auf der Erde übertönt würde. Wie italienische Wissenschaftler erklären, sorgt ihr Labor für die sogenannte kosmische Stille – der Gran Sasso reduziert den Fluss der kosmischen Strahlung um das Millionenfache. Dies allein reichte jedoch nicht aus.
Die Frequenz des gesuchten Signals istnur ein oder zwei Veranstaltungen pro Tag oder weniger. Das bedeutet, dass die im Experiment verwendeten Materialien selbst „radiorein“ sein müssen – sie dürfen nichts emittieren. Und die Ausrüstung muss vor der Strahlung von Gesteinen abgeschirmt werden. An modernen Beschleunigern sei das unmöglich, schreiben Wissenschaftler.
Was haben die Wissenschaftler getan?
Nach der Durchführung eines Experiments in einem unterirdischen Labor,Wissenschaftler haben keine Hinweise auf eine Verletzung des Pauli-Prinzips gefunden. Dies schließt einige Modelle der Quantengravitation aus. Mit anderen Worten, die Physiker haben das „verbotene“ Signal nicht empfangen. Jedenfalls vorerst.
Auch im Rahmen des Projekts analysierten PhysikerVorhersagen des Poincaré-Theta-Modells und schlossen einige Versionen des Modells auf der Planck-Skala aus (der Skala, bei der die bekannten klassischen Gravitationsgesetze verletzt werden). Darüber hinaus widerspricht ihre Analyse einigen spezifischen Implementierungen der Quantengravitation.
Was weiter?
Die Forscher planen nun, ihre Forschung auszuweitenandere Modelle der Quantengravitation zusammen mit chinesischen Physikern. Sie werden mit neuen Materialien und Analysemethoden nach schwachen Signalen suchen, um "das Gewebe der Raumzeit aufzudecken", erklären die Autoren der Experimente.
„Das Interessante ist, dass wir einige erkunden könnenModelle der Quantengravitation mit einer so hohen Genauigkeit, dass dies auf modernen Beschleunigern nicht möglich ist “, schlussfolgern die Wissenschaftler. „Das ist sowohl theoretisch als auch experimentell ein großer Sprung.“
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Titelbild: Wikipedia