Durante décadas, los físicos han intentado crear un modelo de gravedad cuántica que unificaría la gravedad cuántica.
Pero algunos de los modelos predicen el efectoque se puede investigar en el laboratorio: una ligera violación de un principio cuántico fundamental conocido como el principio de exclusión de Pauli. Determina, por ejemplo, cómo se organizan los electrones en los átomos. Esto es exactamente en lo que están trabajando los empleados del proyecto de laboratorio subterráneo INFN bajo las montañas Gran Sasso en Italia. Su objetivo es buscar signos de radiación causados por tal violación, en forma de transiciones atómicas prohibidas por el principio de Pauli.
En dos artículos publicados en las revistas Physical Review Letters y Physical Review D, los científicos describieron si tuvieron éxito.
¿Cómo funciona el principio de Pauli?
En las lecciones de química de la escuela, enseñan que los electronesdispuestos en los átomos sólo de cierta manera. Resulta que esto se debe al principio de exclusión de Pauli. En el centro de un átomo se encuentra el núcleo atómico, rodeado de orbitales con electrones. El primer orbital, por ejemplo, contiene solo dos electrones.
El principio de exclusión de Pauli, formuladoEl físico austriaco Wolfang Pauli en 1925 afirma que dos electrones no pueden tener el mismo estado cuántico. Entonces, en el primer orbital de un átomo, dos electrones pueden tener espines en direcciones opuestas. Esta propiedad cuántica intrínseca generalmente se representa como un eje de rotación hacia arriba o hacia abajo, aunque el electrón no tiene un eje en un sentido literal.
Carrera de fotones gravitacionales cuánticos. Foto: NASA
Esencialmente, esto significa que la materia por sí sola no puedepasar por otro. Como explican los científicos, esto funciona en todas partes: "tú, yo, nos basamos en el principio de exclusión de Pauli". El ejemplo más simple de esta ley es el hecho de que las personas no pueden atravesar las paredes.
Este principio se aplica a todos los elementalespartículas que pertenecen a la misma familia que los electrones y se conocen como fermiones. Se derivó matemáticamente de un teorema fundamental conocido como el teorema de las estadísticas de espín. Además, el principio de exclusión de Pauli se confirmó experimentalmente. Hasta ahora, se suponía que esto era cierto para todos los fermiones. El principio de exclusión de Pauli es uno de los principios básicos del modelo estándar de la física de partículas.
Violación del principio
Pero según algunas teorías especulativas,que van más allá del Modelo Estándar, este principio puede ser violado. Durante décadas, los físicos han estado buscando una teoría fundamental de la realidad. El modelo estándar es excelente para explicar el comportamiento de las partículas, las interacciones y los procesos cuánticos a nivel micro. Sin embargo, no incluye la gravedad.
Entonces, los físicos están tratando de desarrollar un unificadorla teoría de la gravedad cuántica, algunas versiones de la cual predicen que varias propiedades que subyacen al modelo estándar, como el principio de exclusión de Pauli, pueden violarse en circunstancias extremas.
Por ejemplo, muchos de estos trastornos son naturalmenteocurren en las llamadas teorías no conmutativas y modelos de gravedad cuántica. Uno de los más populares es la teoría de cuerdas. Ella describe las partículas fundamentales como pequeños filamentos vibrantes de energía en espacios multidimensionales. Algunos modelos de teoría de cuerdas también predicen tal violación.
Dificultad de verificación
Tradicionalmente se cree que tales prediccionesdifícil de comprobar. La gravedad cuántica es "orgánica" solo para lugares donde una gran cantidad de gravedad se concentra en un espacio diminuto. El ejemplo más simple es el centro de un agujero negro, el lugar de nacimiento del universo.
Sin embargo, a los autores del nuevo estudio se les ocurrió una alternativa. El efecto de violar el principio de exclusión y el teorema de las estadísticas de espín se puede detectar en experimentos de laboratorio en la Tierra.
En lo profundo de las montañas del Gran Sasso, a las afueras de la ciudadEn L'Aquila, Italia, los físicos están trabajando en el experimento VIP-2 para violar el principio de Pauli. El aparato especial se basa en un grueso bloque de plomo romano, junto al cual se encuentra un detector de germanio. Detecta pequeños signos de radiación provenientes del metal.
Laboratorio subterráneo de baja radiactividad en Gran Sasso.
Foto: Massimiliano De Deo, LNGS-INFN
La idea es que si el principio de prohibiciónPauli será violado, dentro del plomo habrá una transición atómica "prohibida", generando rayos X con una señal de energía distinta. Será recogido por un detector de germanio.
Silencio espacial
El laboratorio se colocó especialmente bajo tierra,porque la radiación de tal proceso sería tan débil que, de lo contrario, sería ahogada por la radiación de fondo general de los rayos cósmicos en la Tierra. Como explican los científicos italianos, su laboratorio proporciona el llamado silencio cósmico: el monte Gran Sasso reduce el flujo de rayos cósmicos un millón de veces. Sin embargo, esto solo no fue suficiente.
La frecuencia de la señal que buscan los físicos essólo uno o dos eventos al día o menos. Esto significa que los materiales utilizados en el experimento deben ser "radio-limpios" - no deben emitir nada. Y el equipo debe estar protegido de la radiación de las rocas. En los aceleradores modernos, esto es imposible, escriben los científicos.
¿Qué han hecho los científicos?
Después de realizar un experimento en un laboratorio subterráneo,los científicos no han encontrado evidencia de una violación del principio de Pauli. Esto excluye algunos modelos de gravedad cuántica. En otras palabras, los físicos no captaron la señal "prohibida". De todos modos, por ahora.
Además, como parte del proyecto, los físicos analizaronpredicciones del modelo theta de Poincaré y descartó algunas versiones del modelo en la escala de Planck (la escala en la que se violan las conocidas leyes clásicas de la gravedad). Además, su análisis contradice algunas implementaciones específicas de la gravedad cuántica.
Que sigue
Los investigadores ahora planean expandir su investigación aotros modelos de gravedad cuántica junto con físicos chinos. Usarán nuevos materiales y métodos de análisis para buscar señales débiles con el fin de "revelar el tejido del espacio-tiempo", explican los autores de los experimentos.
“Lo interesante es que podemos explorar algunosmodelos de gravedad cuántica con una precisión tan alta que es imposible hacerlo en los aceleradores modernos ”, concluyen los científicos. "Este es un gran salto tanto teórica como experimentalmente".
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Foto de portada: Wikipedia