A fizikusok évtizedek óta próbáltak létrehozni egy olyan kvantumgravitációs modellt, amely egyesítené a kvantumokat.
De néhány modell megjósolja a hatástami laboratóriumban is vizsgálható: a Pauli-kizárási elvként ismert alapvető kvantumelv enyhe megsértése. Meghatározza például, hogy az elektronok hogyan helyezkednek el az atomokban. Pontosan ezen dolgoznak az olaszországi Gran Sasso hegyek alatti INFN földalatti laboratórium projektjének munkatársai. Céljuk az ilyen jogsértés által okozott sugárzás jeleinek felkutatása, a Pauli-elv által tiltott atomi átmenetek formájában.
A Physical Review Letters és a Physical Review D folyóiratokban megjelent két cikkben a tudósok leírták, hogy sikerült-e.
Hogyan működik a Pauli-elv?
Az iskolai kémiaórákon azt tanítják, hogy az elektronokcsak bizonyos módon vannak elrendezve atomokban. Kiderül, hogy ez a Pauli-féle kizárási elvnek köszönhető. Az atom középpontjában az atommag található, amelyet elektronpályák vesznek körül. Az első pálya például csak két elektront tartalmaz.
A Pauli-kizárási elv, megfogalmazvaWolfang Pauli osztrák fizikus 1925-ben kijelentette, hogy nincs két elektronnak egyforma kvantumállapota. Tehát egy atom első pályáján két elektronnak lehet ellentétes irányú spinje. Ezt a kvantum belső tulajdonságot általában felfelé vagy lefelé forgási tengelyként ábrázolják, bár az elektronnak nincs szó szerinti tengelye.
Kvantumgravitációs fotonverseny. Fotó: NASA
Lényegében ez azt jelenti, hogy az anyag önmagában nem képesátmenni egy másikon. Ahogy a tudósok kifejtik, ez mindenhol működik – „te, én, mi a Pauli-féle kizárási elven alapulunk”. Ennek a törvénynek a legegyszerűbb példája az a tény, hogy az emberek nem tudnak átmenni a falakon.
Ez az elv minden elemire vonatkozikolyan részecskék, amelyek az elektronokkal azonos családba tartoznak, és fermionokként ismertek. Matematikailag a spinstatisztikai tételnek nevezett alapvető tételből származtatták. A Pauli-féle kizárási elvet kísérletileg is megerősítették. Eddig azt feltételezték, hogy ez minden fermionra igaz. A Pauli-féle kizárási elv a részecskefizika standard modelljének egyik alapelve.
Az elv megsértése
De néhány spekulatív elmélet szerintamelyek túlmutatnak a standard modellen, ez az elv megsérthető. A fizikusok évtizedek óta keresik a valóság alapvető elméletét. A Standard Modell kiválóan alkalmas a részecskék viselkedésének, kölcsönhatásainak és kvantumfolyamatainak mikroszintű magyarázatára. Ez azonban nem tartalmazza a gravitációt.
Tehát a fizikusok megpróbálnak egy egységesítőt kidolgoznia kvantumgravitáció elmélete, amelynek egyes változatai azt jósolják, hogy a Standard Modell alapjául szolgáló különféle tulajdonságok, például a Pauli-féle kizárási elv extrém körülmények között megsérülhetnek.
Például sok ilyen rendellenesség természetes eredetűelőfordulnak a kvantumgravitáció úgynevezett nem kommutatív elméleteiben és modelljeiben. Az egyik legnépszerűbb a húrelmélet. Az alapvető részecskéket apró, vibráló energiaszálakként írja le többdimenziós terekben. A húrelmélet egyes modelljei is ilyen jogsértést jósolnak.
Ellenőrzési nehézség
Hagyományosan úgy gondolják, hogy az ilyen jóslatoknehéz ellenőrizni. A kvantumgravitáció csak olyan helyeken "szerves", ahol hatalmas mennyiségű gravitáció koncentrálódik egy apró térben. A legegyszerűbb példa egy fekete lyuk közepe, az univerzum szülőhelye.
Az új tanulmány szerzői azonban alternatívával álltak elő. A kizárási elv és a spinstatisztikai tétel megsértésének hatása a Földön végzett laboratóriumi kísérletekben kimutatható.
Mélyen a Gran Sasso hegyek alatt, közvetlenül a városon kívülAz olaszországi L'Aquilában a fizikusok a VIP-2 kísérleten dolgoznak, hogy megsértsék a Pauli-elvet. A speciális berendezés egy vastag római ólomtömbön alapul, amely mellett germánium detektor található. Felveszi a fémből érkező sugárzás apró jeleit.
Alacsony radioaktivitású földalatti laboratórium Gran Sassóban.
Fotó: Massimiliano De Deo, LNGS-INFN
Az ötlet az, hogy ha a tilalom elvePaulit megsértik, az ólom belsejében "tiltott" atomátmenet lesz, amely röntgensugarakat generál külön energiajellel. Germánium detektor fogja felvenni.
Tér csend
A laboratóriumot speciálisan a föld alá helyezték el,mert egy ilyen folyamatból származó sugárzás olyan gyenge lenne, hogy különben elnyomná a Földön a kozmikus sugarak általános háttérsugárzása. Mint olasz tudósok kifejtik, laboratóriumuk az úgynevezett kozmikus csendet biztosítja – a Gran Sasso-hegy milliószorosára csökkenti a kozmikus sugarak áramlását. Ez azonban önmagában nem volt elég.
A fizikusok által keresett jel frekvenciája azcsak napi egy-két esemény vagy kevesebb. Ez azt jelenti, hogy a kísérletben használt anyagoknak maguknak „rádiótisztáknak” kell lenniük – nem bocsáthatnak ki semmit. A berendezést pedig védeni kell a sziklák sugárzásától. A modern gyorsítókon ez lehetetlen – írják a tudósok.
Mit tettek a tudósok?
Egy földalatti laboratóriumban végzett kísérlet után,a tudósok nem találtak bizonyítékot a Pauli-elv megsértésére. Ez kizár néhány kvantumgravitációs modellt. Más szóval, a fizikusok nem kapták el a "tilos" jelet. Mindegy, egyelőre.
Ezenkívül a projekt részeként a fizikusok elemezteka Poincaré-théta-modell előrejelzései, és kizárták a modell néhány változatát a Planck-skálán (az a skála, amelyen a gravitáció ismert klasszikus törvényei megsérülnek). Emellett elemzésük ellentmond a kvantumgravitáció néhány konkrét megvalósításának.
Mi a következő?
A kutatók most azt tervezik, hogy kiterjesztik kutatásukata kvantumgravitáció egyéb modelljeit kínai fizikusokkal együtt. Új anyagokat és elemzési módszereket fognak használni gyenge jelek keresésére, hogy "felfedjék a téridő szövetét" - magyarázzák a kísérletek szerzői.
„Az az érdekes, hogy néhányat felfedezhetünkolyan nagy pontosságú kvantumgravitációs modelleket, amelyeket a modern gyorsítókkal lehetetlen megtenni” – következtetnek a tudósok. "Ez elméletileg és kísérletileg is nagy ugrás."
Olvass tovább:
Egy 17 éves mérnök egy mágnes nélküli motorral rukkolt elő: elektromos járművekben is használható
Két bolygót találtak a Földtől nem messze. Talán laknak
Egy egyedülálló meteor írta át a Naprendszer történetét: honnan jött
Borítókép: Wikipédia