Desetljećima su fizičari pokušavali stvoriti model kvantne gravitacije koji bi ujedinio kvantnu
Ali neki od modela predviđaju učinakkoji se može istražiti u laboratoriju: neznatno kršenje temeljnog kvantnog principa poznatog kao Paulijev princip isključenja. Određuje, na primjer, kako su elektroni raspoređeni u atomima. Upravo na tome rade zaposlenici projekta podzemnog laboratorija INFN ispod planina Gran Sasso u Italiji. Njihov cilj je tražiti znakove zračenja uzrokovane takvim kršenjem, u obliku atomskih prijelaza zabranjenih Paulijevim načelom.
U dva rada objavljena u časopisima Physical Review Letters i Physical Review D znanstvenici su opisali jesu li u tome uspjeli.
Kako funkcionira Paulijevo načelo?
Na školskim satovima kemije uče da elektroniraspoređeni u atome samo na određeni način. Ispada da je to zbog Paulijevog načela isključenja. U središtu atoma nalazi se atomska jezgra, okružena orbitalama s elektronima. Prva orbitala, na primjer, sadrži samo dva elektrona.
Formulirano Paulijevo načelo isključenjaAustrijski fizičar Wolfang Pauli 1925. godine tvrdi da dva elektrona ne mogu imati isto kvantno stanje. Dakle, u prvoj orbiti atoma dva elektrona mogu imati suprotno usmjerene spinove. Ovo kvantno intrinzično svojstvo obično se opisuje kao os rotacije gore ili dolje, iako elektron nema os u doslovnom smislu.
Kvantna gravitacijska utrka fotona. Fotografija: NASA
U biti, to znači da sama materija ne možeproći kroz drugu. Kako objašnjavaju znanstvenici, ovo funkcionira posvuda - "ti, ja, mi se temeljimo na Paulijevom principu isključenja." Najjednostavniji primjer ovog zakona je činjenica da ljudi ne mogu prolaziti kroz zidove.
Ovo načelo vrijedi za sve osnovnečestice koje pripadaju istoj obitelji kao i elektroni i poznate su kao fermioni. Matematički je izveden iz temeljnog teorema poznatog kao teorem statistike spina. Također, eksperimentalno je potvrđen Paulijev princip isključenja. Do sada se pretpostavljalo da to vrijedi za sve fermione. Paulijevo načelo isključenja jedno je od temeljnih načela Standardnog modela fizike čestica.
Povreda načela
Ali prema nekim spekulativnim teorijama,koji nadilaze standardni model, ovo se načelo može prekršiti. Desetljećima su fizičari tražili temeljnu teoriju stvarnosti. Standardni model je izvrstan u objašnjavanju ponašanja čestica, interakcija i kvantnih procesa na mikrorazini. Međutim, to ne uključuje gravitaciju.
Dakle, fizičari pokušavaju razviti ujedinjujućeteorija kvantne gravitacije, čije neke verzije predviđaju da se različita svojstva koja su u osnovi standardnog modela, kao što je Paulijevo načelo isključenja, mogu povrijediti u ekstremnim okolnostima.
Na primjer, mnogi od ovih poremećaja su prirodnipojavljuju se u takozvanim nekomutativnim teorijama i modelima kvantne gravitacije. Jedna od najpopularnijih je teorija struna. Ona opisuje temeljne čestice kao sićušne vibrirajuće niti energije u višedimenzionalnim prostorima. Neki modeli teorije struna također predviđaju takvo kršenje.
Poteškoće provjere
Tradicionalno se vjeruje da takva predviđanjateško provjeriti. Kvantna gravitacija je "organska" samo za mjesta gdje je ogromna količina gravitacije koncentrirana u malom prostoru. Najjednostavniji primjer je središte crne rupe, rodno mjesto svemira.
Međutim, autori nove studije smislili su alternativu. Učinak kršenja načela isključenja i teorema o statistici spina može se otkriti u laboratorijskim eksperimentima na Zemlji.
Duboko ispod planina Gran Sasso, odmah izvan gradaL'Aquila u Italiji, fizičari rade na eksperimentu VIP-2 kako bi prekršili Paulijevo načelo. Specijalni uređaj temelji se na debelom bloku rimskog olova, uz koji se nalazi germanijski detektor. Hvata male znakove zračenja koje dolazi od metala.
Podzemni laboratorij niske radioaktivnosti u Gran Sassu.
Fotografija: Massimiliano De Deo, LNGS-INFN
Ideja je da ako načelo zabranePauli će biti narušen, unutar elektroda će se dogoditi "zabranjeni" atomski prijelaz, generirajući X-zrake s jasnim energetskim signalom. Pokupit će ga detektor germanija.
Svemirska tišina
Laboratorij je posebno smješten pod zemljom,jer bi zračenje iz takvog procesa bilo tako slabo da bi ga inače utopilo opće pozadinsko zračenje kozmičkih zraka na Zemlji. Kako objašnjavaju talijanski znanstvenici, njihov laboratorij osigurava takozvanu kozmičku tišinu - planina Gran Sasso smanjuje protok kozmičkih zraka milijun puta. Međutim, samo to nije bilo dovoljno.
Frekvencija signala koju fizičari traže jesamo jedan ili dva događaja dnevno ili manje. To znači da materijali korišteni u eksperimentu sami po sebi moraju biti "radiološki čisti" - ne smiju ništa emitirati. A oprema mora biti zaštićena od zračenja kamenja. Na modernim akceleratorima to je nemoguće, pišu znanstvenici.
Što su znanstvenici učinili?
Nakon izvođenja eksperimenta u podzemnom laboratoriju,znanstvenici nisu pronašli dokaze o kršenju Paulijevog načela. Ovo isključuje neke modele kvantne gravitacije. Drugim riječima, fizičari nisu uhvatili "zabranjeni" signal. U svakom slučaju, za sada.
Također, u sklopu projekta fizičari su analiziralipredviđanja Poincaréovog theta modela i isključili neke verzije modela na Planckovoj ljestvici (ljestvici na kojoj se krše poznati klasični zakoni gravitacije). Osim toga, njihova analiza proturječi nekim specifičnim implementacijama kvantne gravitacije.
Što je sljedeće?
Istraživači sada planiraju proširiti svoje istraživanje nadruge modele kvantne gravitacije zajedno s kineskim fizičarima. Oni će koristiti nove materijale i metode analize za traženje slabih signala kako bi "otkrili tkivo prostor-vremena", objašnjavaju autori eksperimenata.
“Zanimljivo je da neke možemo istražitimodele kvantne gravitacije s tako visokom točnošću da je to nemoguće učiniti na modernim akceleratorima “, zaključuju znanstvenici. "Ovo je veliki skok i teoretski i eksperimentalno."
Čitaj više:
17-godišnji inženjer osmislio je motor bez magneta: može se koristiti u električnim vozilima
Nedaleko od Zemlje pronađena su dva planeta. Možda su naseljeni
Jedinstveni meteor prepisao je povijest Sunčevog sustava: odakle je došao
Naslovna fotografija: Wikipedia