Pendant des décennies, les physiciens ont tenté de créer un modèle de gravité quantique qui unifierait la gravité quantique.
Mais certains modèles prédisent l'effetqui peut être étudiée en laboratoire : une légère violation d'un principe quantique fondamental connu sous le nom de principe d'exclusion de Pauli. Il détermine, par exemple, comment les électrons sont disposés dans les atomes. C'est exactement ce sur quoi travaillent les employés du projet de laboratoire souterrain INFN sous les montagnes du Gran Sasso en Italie. Leur but est de rechercher des signes de rayonnement provoqués par une telle violation, sous la forme de transitions atomiques interdites par le principe de Pauli.
Dans deux articles publiés dans les revues Physical Review Letters et Physical Review D, les scientifiques ont décrit s'ils avaient réussi.
Comment fonctionne le principe de Pauli ?
Dans les cours de chimie à l'école, ils enseignent que les électronsdisposés en atomes seulement d'une certaine manière. Il s'avère que cela est dû au principe d'exclusion de Pauli. Au centre d'un atome se trouve le noyau atomique, entouré d'orbitales avec des électrons. La première orbitale, par exemple, ne contient que deux électrons.
Le principe d'exclusion de Pauli, formuléLe physicien autrichien Wolfang Pauli déclare en 1925 que deux électrons ne peuvent pas avoir le même état quantique. Ainsi, dans la première orbitale d'un atome, deux électrons peuvent avoir des spins de direction opposée. Cette propriété intrinsèque quantique est généralement décrite comme un axe de rotation vers le haut ou vers le bas, bien que l'électron n'ait pas d'axe au sens littéral.
Race de photons gravitationnels quantiques. Photo : NASA
Essentiellement, cela signifie que la matière seule ne peut paspasser par un autre. Comme l'expliquent les scientifiques, cela fonctionne partout - "vous, moi, nous sommes basés sur le principe d'exclusion de Pauli". L'exemple le plus simple de cette loi est le fait que les gens ne peuvent pas traverser les murs.
Ce principe s'applique à tous les élèves du primaireparticules appartenant à la même famille que les électrons et appelées fermions. Il a été mathématiquement dérivé d'un théorème fondamental connu sous le nom de théorème des statistiques de spin. De plus, le principe d'exclusion de Pauli a été confirmé expérimentalement. Jusqu'à présent, cela était supposé être vrai pour tous les fermions. Le principe d'exclusion de Pauli est l'un des principes de base du modèle standard de la physique des particules.
Violation du principe
Mais selon certaines théories spéculatives,qui vont au-delà du modèle standard, ce principe peut être violé. Pendant des décennies, les physiciens ont cherché une théorie fondamentale de la réalité. Le modèle standard est excellent pour expliquer le comportement des particules, les interactions et les processus quantiques au niveau micro. Cependant, il n'inclut pas la gravité.
Ainsi, les physiciens tentent de développer un unificateurla théorie de la gravité quantique, dont certaines versions prédisent que diverses propriétés qui sous-tendent le modèle standard, comme le principe d'exclusion de Pauli, peuvent être violées dans des circonstances extrêmes.
Par exemple, bon nombre de ces troubles sont naturellementse produisent dans les théories et les modèles dits non commutatifs de la gravité quantique. L'une des plus populaires est la théorie des cordes. Elle décrit les particules fondamentales comme de minuscules filaments vibrants d'énergie dans des espaces multidimensionnels. Certains modèles de la théorie des cordes prédisent également une telle violation.
Difficulté de vérification
On croit traditionnellement que de telles prédictionsdifficile à vérifier. La gravité quantique n'est "organique" que pour les endroits où une énorme quantité de gravité est concentrée dans un espace minuscule. L'exemple le plus simple est le centre d'un trou noir, berceau de l'univers.
Cependant, les auteurs de la nouvelle étude ont proposé une alternative. L'effet de la violation du principe d'exclusion et du théorème des statistiques de spin peut être détecté dans des expériences de laboratoire sur Terre.
Au cœur des montagnes du Gran Sasso, juste à l'extérieur de la villeÀ L'Aquila en Italie, des physiciens travaillent sur l'expérience VIP-2 pour violer le principe de Pauli. L'appareil spécial est basé sur un épais bloc de plomb romain, à côté duquel se trouve un détecteur au germanium. Il capte de petits signes de rayonnement provenant du métal.
Laboratoire souterrain de faible radioactivité au Gran Sasso.
Photo : Massimiliano De Deo, LNGS-INFN
L'idée est que si le principe d'interdictionPauli sera violé, à l'intérieur du plomb il y aura une transition atomique "interdite", générant des rayons X avec un signal d'énergie distinct. Il sera capté par un détecteur au germanium.
Silence de l'espace
Le laboratoire a été spécialement placé sous terre,parce que le rayonnement d'un tel processus serait si faible qu'il serait autrement noyé par le rayonnement de fond général des rayons cosmiques sur Terre. Comme l'expliquent des scientifiques italiens, leur laboratoire fournit le soi-disant silence cosmique - le mont Gran Sasso réduit le flux de rayons cosmiques d'un million de fois. Cependant, cela seul ne suffisait pas.
La fréquence du signal recherché par les physiciens estjuste un ou deux événements par jour ou moins. Cela signifie que les matériaux utilisés dans l'expérience doivent eux-mêmes être "radio-propres" - ils ne doivent rien émettre. Et l'équipement doit être protégé du rayonnement des roches. Sur les accélérateurs modernes, c'est impossible, écrivent les scientifiques.
Qu'ont fait les scientifiques ?
Après avoir mené une expérience dans un laboratoire souterrain,les scientifiques n'ont trouvé aucune preuve d'une violation du principe de Pauli. Cela exclut certains modèles de gravité quantique. En d'autres termes, les physiciens n'ont pas capté le signal "interdit". En tout cas, pour l'instant.
De plus, dans le cadre du projet, des physiciens ont analyséprédictions du modèle thêta de Poincaré et exclu certaines versions du modèle à l'échelle de Planck (l'échelle à laquelle les lois classiques connues de la gravité sont violées). De plus, leur analyse contredit certaines implémentations spécifiques de la gravité quantique.
Et ensuite?
Les chercheurs envisagent maintenant d'étendre leurs recherches àd'autres modèles de gravité quantique avec des physiciens chinois. Ils utiliseront de nouveaux matériaux et de nouvelles méthodes d'analyse pour rechercher des signaux faibles afin de "révéler le tissu de l'espace-temps", expliquent les auteurs des expériences.
"Ce qui est intéressant, c'est que nous pouvons explorer certainesdes modèles de gravité quantique avec une précision si élevée qu'il est impossible de le faire sur des accélérateurs modernes », concluent les scientifiques. "C'est un grand pas en avant à la fois théoriquement et expérimentalement."
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Photo de couverture : Wikipédia