Per decenni, i fisici hanno cercato di creare un modello di gravità quantistica che unificasse i quanti
Ma alcuni dei modelli prevedono l'effettoche può essere indagato in laboratorio: una leggera violazione di un fondamentale principio quantistico noto come principio di esclusione di Pauli. Determina, ad esempio, come sono disposti gli elettroni negli atomi. Questo è esattamente ciò su cui stanno lavorando i dipendenti del progetto di laboratorio sotterraneo dell'INFN sotto le montagne del Gran Sasso in Italia. Il loro obiettivo è cercare segni di radiazioni causate da tale violazione, sotto forma di transizioni atomiche proibite dal principio di Pauli.
In due articoli pubblicati sulle riviste Physical Review Letters e Physical Review D, gli scienziati hanno descritto se ci sono riusciti.
Come funziona il principio di Pauli?
Nelle lezioni di chimica a scuola, insegnano che gli elettronidisposti in atomi solo in un certo modo. Si scopre che ciò è dovuto al principio di esclusione di Pauli. Al centro di un atomo c'è il nucleo atomico, circondato da orbitali con elettroni. Il primo orbitale, per esempio, contiene solo due elettroni.
Il principio di esclusione di Pauli, formulatoIl fisico austriaco Wolfang Pauli nel 1925 afferma che due elettroni non possono avere lo stesso stato quantico. Quindi, nel primo orbitale di un atomo, due elettroni possono avere spin opposti. Questa proprietà intrinseca quantistica è solitamente rappresentata come un asse di rotazione verso l'alto o verso il basso, sebbene l'elettrone non abbia un asse in senso letterale.
Corsa fotonica quantistica gravitazionale. Foto: NASA
Essenzialmente, questo significa che la materia da sola non puòpassare attraverso un altro. Come spiegano gli scienziati, questo funziona ovunque: "tu, io, ci basiamo sul principio di esclusione di Pauli". L'esempio più semplice di questa legge è il fatto che le persone non possono attraversare i muri.
Questo principio si applica a tutti gli elementariparticelle che appartengono alla stessa famiglia degli elettroni e sono conosciute come fermioni. Era matematicamente derivato da un teorema fondamentale noto come teorema della statistica dello spin. Inoltre, il principio di esclusione di Pauli è stato confermato sperimentalmente. Fino ad ora, questo era considerato vero per tutti i fermioni. Il principio di esclusione di Pauli è uno dei principi base del Modello Standard della fisica delle particelle.
Violazione del principio
Ma secondo alcune teorie speculative,che vanno oltre il Modello Standard, questo principio può essere violato. Per decenni, i fisici hanno cercato una teoria fondamentale della realtà. Il modello standard è eccellente nello spiegare il comportamento delle particelle, le interazioni e i processi quantistici a livello micro. Tuttavia, non include la gravità.
Quindi, i fisici stanno cercando di sviluppare un unificantela teoria della gravità quantistica, alcune versioni della quale prevedono che varie proprietà che sono alla base del Modello standard, come il principio di esclusione di Pauli, possono essere violate in circostanze estreme.
Ad esempio, molti di questi disturbi sono naturalisi verificano nelle cosiddette teorie e modelli non commutativi della gravità quantistica. Uno dei più popolari è la teoria delle stringhe. Descrive le particelle fondamentali come minuscoli filamenti vibranti di energia in spazi multidimensionali. Anche alcuni modelli della teoria delle stringhe prevedono una tale violazione.
Difficoltà di verifica
Si ritiene tradizionalmente che tali previsionidifficile da controllare. La gravità quantistica è "organica" solo per i luoghi in cui un'enorme quantità di gravità è concentrata in uno spazio minuscolo. L'esempio più semplice è il centro di un buco nero, il luogo di nascita dell'universo.
Tuttavia, gli autori del nuovo studio hanno escogitato un'alternativa. L'effetto della violazione del principio di esclusione e del teorema della statistica dello spin può essere rilevato in esperimenti di laboratorio sulla Terra.
Nel profondo delle montagne del Gran Sasso, appena fuori cittàL'Aquila in Italia, i fisici stanno lavorando all'esperimento VIP-2 per violare il principio di Pauli. L'apparato speciale si basa su uno spesso blocco di piombo romano, accanto al quale si trova un rilevatore di germanio. Capta piccoli segni di radiazioni provenienti dal metallo.
Laboratorio sotterraneo a bassa radioattività del Gran Sasso.
Foto: Massimiliano De Deo, LNGS-INFN
L'idea è che se il principio di proibizionePauli verrà violato, all'interno del piombo ci sarà una transizione atomica "proibita", generando raggi X con un segnale energetico distinto. Sarà rilevato da un rivelatore al germanio.
Silenzio spaziale
Il laboratorio è stato appositamente collocato sottoterra,perché la radiazione di un tale processo sarebbe così debole che altrimenti verrebbe soffocata dalla radiazione di fondo generale dei raggi cosmici sulla Terra. Come spiegano gli scienziati italiani, il loro laboratorio fornisce il cosiddetto silenzio cosmico: il Monte Gran Sasso riduce il flusso dei raggi cosmici di un milione di volte. Tuttavia, questo da solo non era sufficiente.
La frequenza del segnale che i fisici stanno cercando èsolo uno o due eventi al giorno o meno. Ciò significa che i materiali utilizzati nell'esperimento devono essere essi stessi "radio-puliti" - non devono emettere nulla. E l'attrezzatura deve essere protetta dalle radiazioni delle rocce. Sui moderni acceleratori, questo è impossibile, scrivono gli scienziati.
Che cosa hanno fatto gli scienziati?
Dopo aver condotto un esperimento in un laboratorio sotterraneo,gli scienziati non hanno trovato prove di una violazione del principio di Pauli. Ciò esclude alcuni modelli di gravità quantistica. In altre parole, i fisici non hanno colto il segnale "proibito". Comunque, per ora.
Inoltre, come parte del progetto, i fisici hanno analizzatoprevisioni del modello theta di Poincaré e ha escluso alcune versioni del modello sulla scala di Planck (la scala alla quale vengono violate le note leggi di gravità classiche). Inoltre, la loro analisi contraddice alcune implementazioni specifiche della gravità quantistica.
Qual è il prossimo?
I ricercatori stanno ora progettando di espandere la loro ricerca aaltri modelli di gravità quantistica insieme ai fisici cinesi. Utilizzeranno nuovi materiali e metodi di analisi per cercare segnali deboli al fine di "rivelare il tessuto dello spazio-tempo", spiegano gli autori degli esperimenti.
“La cosa interessante è che possiamo esplorarne alcunimodelli di gravità quantistica con una precisione così elevata che è impossibile fare sui moderni acceleratori ", concludono gli scienziati. "Questo è un grande salto sia teoricamente che sperimentalmente".
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Foto di copertina: Wikipedia