Fyysikot ovat vuosikymmenten ajan yrittäneet luoda kvanttigravitaatiomallin, joka yhdistäisi kvantin.
Mutta jotkut mallit ennustavat vaikutuksenjoka voidaan tutkia laboratoriossa: lievä rikkomus peruskvanttiperiaatteessa, joka tunnetaan nimellä Paulin poissulkemisperiaate. Se määrittää esimerkiksi elektronien järjestyksen atomeihin. Juuri tätä INFN:n maanalaisen laboratorioprojektin työntekijät Gran Sasso -vuorten alla Italiassa työskentelevät. Heidän tavoitteenaan on etsiä merkkejä tällaisen rikkomuksen aiheuttamasta säteilystä Paulin periaatteen kieltämien atomisiirtymien muodossa.
Kahdessa Physical Review Letters- ja Physical Review D -lehdissä julkaistussa artikkelissa tutkijat kuvailivat, onnistuivatko he.
Miten Paulin periaate toimii?
Koulun kemian tunneilla he opettavat, että elektronitvain tietyllä tavalla atomeihin järjestetyt. Osoittautuu, että tämä johtuu Paulin poissulkemisperiaatteesta. Atomin keskustassa on atomiydin, jota ympäröivät kiertoradat, joissa on elektroneja. Esimerkiksi ensimmäinen orbitaali sisältää vain kaksi elektronia.
Paulin poissulkemisperiaate, muotoiltuItävaltalainen fyysikko Wolfang Pauli toteaa vuonna 1925, että kahdella elektronilla ei voi olla samaa kvanttitilaa. Joten atomin ensimmäisellä kiertoradalla kahdella elektronilla voi olla vastakkaiset spinit. Tämä kvantin sisäinen ominaisuus kuvataan yleensä pyörimisakselina ylös- tai alaspäin, vaikka elektronilla ei ole akselia kirjaimellisessa merkityksessä.
Kvanttigravitaatiofotonikilpailu. Valokuva: NASA
Pohjimmiltaan tämä tarkoittaa, että aine yksin ei voikulkea toisen läpi. Kuten tiedemiehet selittävät, tämä toimii kaikkialla - "sinä, minä, me perustumme Paulin poissulkemisperiaatteeseen." Yksinkertaisin esimerkki tästä laista on se, että ihmiset eivät voi kävellä seinien läpi.
Tämä periaate pätee kaikkeen alkeelliseenhiukkaset, jotka kuuluvat samaan perheeseen kuin elektronit ja tunnetaan fermioneina. Se johdettiin matemaattisesti peruslauseesta, joka tunnetaan spintilastolauseena. Myös Paulin poissulkemisperiaate vahvistettiin kokeellisesti. Tähän asti tämän oletettiin olevan totta kaikille fermioneille. Paulin poissulkemisperiaate on yksi hiukkasfysiikan standardimallin perusperiaatteista.
Periaatteen rikkominen
Mutta joidenkin spekulatiivisten teorioiden mukaanjotka ylittävät standardimallin, tätä periaatetta voidaan rikkoa. Fyysikot ovat vuosikymmenten ajan etsineet perustavanlaatuista todellisuuden teoriaa. Standardimalli selittää erinomaisesti hiukkasten käyttäytymistä, vuorovaikutuksia ja kvanttiprosesseja mikrotasolla. Se ei kuitenkaan sisällä painovoimaa.
Joten fyysikot yrittävät kehittää yhdistävääkvanttigravitaation teoria, jonka jotkin versiot ennustavat, että erilaisia standardimallin taustalla olevia ominaisuuksia, kuten Paulin poissulkemisperiaatetta, voidaan rikkoa äärimmäisissä olosuhteissa.
Esimerkiksi monet näistä häiriöistä ovat luonnollisiaesiintyy niin kutsutuissa ei-kommutatiivisissa kvanttigravitaation teorioissa ja malleissa. Yksi suosituimmista on jousiteoria. Hän kuvailee perushiukkasia pieniksi värähteleviksi energiafilamenteiksi moniulotteisissa tiloissa. Jotkut merkkijonoteorian mallit ennustavat myös tällaisen rikkomuksen.
Todentamisen vaikeus
Perinteisesti uskotaan, että tällaisia ennusteitavaikea tarkistaa. Kvanttipainovoima on "orgaaninen" vain paikoissa, joissa valtava määrä painovoimaa on keskittynyt pieneen tilaan. Yksinkertaisin esimerkki on mustan aukon keskus, maailmankaikkeuden syntymäpaikka.
Uuden tutkimuksen tekijät keksivät kuitenkin vaihtoehdon. Poissulkemisperiaatteen ja spin-tilastolauseen rikkomisen vaikutus voidaan havaita laboratoriokokeissa maan päällä.
Syvällä Gran Sasso -vuorten alla, aivan kaupungin ulkopuolellaL'Aquilassa Italiassa fyysikot työskentelevät VIP-2-kokeen parissa Paulin periaatteen rikkomiseksi. Erikoislaitteisto perustuu paksuun roomalaiseen lyijylohkoon, jonka vieressä on germaniumilmaisin. Se poimii pieniä merkkejä metallista tulevasta säteilystä.
Matalan radioaktiivisuuden maanalainen laboratorio Gran Sassossa.
Valokuva: Massimiliano De Deo, LNGS-INFN
Ajatuksena on, että jos kieltoperiaatePauli rikotaan, johdon sisällä tapahtuu "kielletty" atomisiirtymä, joka tuottaa röntgensäteitä erillisellä energiasignaalilla. Sen poimii germaniumilmaisin.
Avaruuden hiljaisuus
Laboratorio sijoitettiin erityisesti maan alle,koska tällaisen prosessin säteily olisi niin heikkoa, että se muuten hukkuisi maan kosmisten säteiden yleiseen taustasäteilyyn. Kuten italialaiset tiedemiehet selittävät, heidän laboratorionsa tarjoaa niin sanotun kosmisen hiljaisuuden - Gran Sasso -vuori vähentää kosmisten säteiden virtausta miljoona kertaa. Tämä ei kuitenkaan yksin riittänyt.
Signaalifyysikkojen etsimän taajuus onvain yksi tai kaksi tapahtumaa päivässä tai harvemmin. Tämä tarkoittaa, että kokeessa käytettyjen materiaalien on oltava "radiopuhtaita" - ne eivät saa lähettää mitään. Ja laitteet on suojattava kivien säteilyltä. Nykyaikaisilla kiihdyttimillä tämä on mahdotonta, tutkijat kirjoittavat.
Mitä tutkijat ovat tehneet?
Suoritettuaan kokeen maanalaisessa laboratoriossa,tutkijat eivät ole löytäneet todisteita Paulin periaatteen rikkomisesta. Tämä sulkee pois jotkin kvanttigravitaation mallit. Toisin sanoen fyysikot eivät saaneet kiinni "kielletystä" signaalista. Joka tapauksessa, toistaiseksi.
Myös osana projektia fyysikot analysoivatPoincarén theta-mallin ennusteet ja sulkeneet pois jotkin mallin versiot Planckin asteikosta (asteikko, jossa tunnettuja klassisia painovoimalakeja rikotaan). Lisäksi heidän analyysinsä on ristiriidassa joidenkin kvanttigravitaation erityisten toteutusten kanssa.
Mitä seuraavaksi?
Tutkijat aikovat nyt laajentaa tutkimustaanmuita kvanttigravitaation malleja yhdessä kiinalaisten fyysikkojen kanssa. He käyttävät uusia materiaaleja ja analyysimenetelmiä etsiäkseen heikkoja signaaleja "paljastaakseen aika-avaruuden kudoksen", kokeiden kirjoittajat selittävät.
"Mielenkiintoista on, että voimme tutkia joitainkvanttigravitaation malleja niin suurella tarkkuudella, että se on mahdotonta tehdä nykyaikaisilla kiihdyttimillä ”, tutkijat päättelevät. "Tämä on iso harppaus sekä teoreettisesti että kokeellisesti."
Lue lisää:
17-vuotias insinööri keksi magneettittoman moottorin: sitä voidaan käyttää sähköajoneuvoissa
Kaksi planeettaa on löydetty läheltä Maata. Ehkä he ovat asuttuja
Ainutlaatuinen meteori kirjoitti uudelleen aurinkokunnan historian: mistä se tuli
Kansikuva: Wikipedia