במשך עשרות שנים, פיזיקאים ניסו ליצור מודל של כוח משיכה קוונטי שיאחד את הקוונטים
אבל חלק מהדגמים חוזים את ההשפעהשניתן לחקור במעבדה: הפרה קלה של עיקרון קוונטי בסיסי המכונה עקרון ההדרה של פאולי. הוא קובע, למשל, כיצד אלקטרונים מסודרים באטומים. על זה בדיוק עובדים עובדי פרויקט המעבדה התת-קרקעית INFN מתחת להרי גראן סאסו באיטליה. המטרה שלהם היא לחפש סימני קרינה הנגרמים מהפרה כזו, בצורה של מעברים אטומיים האסורים על פי עקרון פאולי.
בשני מאמרים שפורסמו בכתבי העת Physical Review Letters ו-Physical Review D, תיארו המדענים האם הם הצליחו.
כיצד פועל עקרון פאולי?
בשיעורי כימיה בבית הספר, הם מלמדים כי אלקטרוניםמסודרים באטומים רק בצורה מסוימת. מסתבר שזה נובע מעקרון ההדרה של פאולי. במרכז האטום נמצא גרעין האטום, מוקף באורביטלים עם אלקטרונים. המסלול הראשון, למשל, מכיל רק שני אלקטרונים.
עקרון ההדרה של פאולי, שנוסחהפיזיקאי האוסטרי וולפאנג פאולי בשנת 1925 קובע כי אין שני אלקטרונים שיכולים להיות בעלי אותו מצב קוונטי. אז, במסלול הראשון של אטום, לשני אלקטרונים יכולים להיות ספינים בכיוון הפוך. תכונה פנימית קוונטית זו מתוארת בדרך כלל כציר סיבוב מעלה או מטה, למרות שלאלקטרון אין ציר במובן המילולי.
גזע פוטון כבידה קוונטי. צילום: נאס"א
בעיקרו של דבר, זה אומר שחומר לבדו אינו יכוללעבור דרך אחרת. כפי שמסבירים המדענים, זה עובד בכל מקום - "אתם, אני, אנחנו מבוססים על עקרון ההדרה של פאולי". הדוגמה הפשוטה ביותר לחוק זה היא העובדה שאנשים אינם יכולים לעבור דרך קירות.
עיקרון זה חל על כל יסודיחלקיקים השייכים לאותה משפחה כמו אלקטרונים ומוכרים כ-fermions. הוא נגזר מתמטית ממשפט יסוד המכונה משפט סטטיסטיקת הספין. כמו כן, עקרון ההדרה של פאולי אושר בניסוי. עד עכשיו, ההנחה הייתה שזה נכון לגבי כל הפרמיונים. עקרון ההדרה של פאולי הוא אחד העקרונות הבסיסיים של המודל הסטנדרטי של פיזיקת החלקיקים.
הפרה של העיקרון
אבל לפי כמה תיאוריות ספקולטיביות,החורגים מהמודל הסטנדרטי, ניתן להפר עיקרון זה. במשך עשרות שנים חיפשו פיזיקאים תיאוריה בסיסית של המציאות. המודל הסטנדרטי מצוין בהסבר התנהגות חלקיקים, אינטראקציות ותהליכים קוונטיים ברמת המיקרו. עם זאת, זה לא כולל כוח משיכה.
אז, פיזיקאים מנסים לפתח איחודתורת הכבידה הקוונטית, שכמה גרסאות שלה חוזות כי תכונות שונות העומדות בבסיס המודל הסטנדרטי, כמו עקרון ההדרה של פאולי, יכולות להיות מופרות בנסיבות קיצוניות.
לדוגמה, רבות מההפרעות הללו הן באופן טבעימתרחשים במה שנקרא תיאוריות ומודלים לא-קומוטטיביים של כוח הכבידה הקוונטית. אחד הפופולריים ביותר הוא תורת המיתרים. היא מתארת חלקיקים בסיסיים כחוטים זעירים רוטטים של אנרגיה בחללים רב-ממדיים. כמה מודלים של תורת המיתרים מנבאים גם הפרה כזו.
קושי באימות
הוא האמין באופן מסורתי כי תחזיות כאלהקשה לבדוק. כוח הכבידה הקוונטי הוא "אורגני" רק עבור מקומות שבהם כמות עצומה של כוח הכבידה מרוכזת בחלל זעיר. הדוגמה הפשוטה ביותר היא מרכזו של חור שחור, מקום הולדתו של היקום.
עם זאת, מחברי המחקר החדש מצאו חלופה. ניתן לזהות את ההשפעה של הפרת עקרון ההדרה ומשפט סטטיסטיקת הספין בניסויי מעבדה על פני כדור הארץ.
עמוק מתחת להרי גראן סאסו, ממש מחוץ לעירL'Aquila באיטליה, פיזיקאים עובדים על ניסוי VIP-2 כדי להפר את עקרון פאולי. המנגנון המיוחד מבוסס על גוש עבה של עופרת רומית, שלידו יש גלאי גרמניום. הוא קולט סימנים קטנים של קרינה המגיעה מהמתכת.
מעבדה תת קרקעית לרדיואקטיביות נמוכה בגראן סאסו.
צילום: Massimiliano De Deo, LNGS-INFN
הרעיון הוא שאם עקרון האיסורפאולי יופר, בתוך העופרת יהיה מעבר אטומי "אסור", שייצור קרני רנטגן עם אות אנרגיה מובהק. זה ייקלט על ידי גלאי גרמניום.
דממת חלל
המעבדה הוצבה במיוחד מתחת לאדמה,כי הקרינה מתהליך כזה תהיה כל כך חלשה שאחרת היא תטבע על ידי קרינת הרקע הכללית מקרניים קוסמיות על פני כדור הארץ. כפי שמסבירים מדענים איטלקים, המעבדה שלהם מספקת את מה שנקרא הדממה הקוסמית - הר גראן סאסו מפחית פי מיליון את זרימת הקרניים הקוסמיות. עם זאת, זה לבדו לא הספיק.
התדר של האותות שמחפשים פיסיקאים הוארק אירוע אחד או שניים ביום או פחות. המשמעות היא שהחומרים המשמשים בניסוי חייבים בעצמם להיות "נקיים ברדיו" - אסור להם לפלוט דבר. והציוד חייב להיות מוגן מקרינת סלעים. במאיצים מודרניים זה בלתי אפשרי, כותבים מדענים.
מה עשו המדענים?
לאחר ביצוע ניסוי במעבדה תת קרקעית,מדענים לא מצאו ראיות להפרה של עקרון פאולי. זה לא כולל כמה מודלים של כוח הכבידה הקוונטית. במילים אחרות, פיזיקאים לא קלטו את האות ה"אסור". בכל מקרה, בינתיים.
כמו כן, במסגרת הפרויקט, ניתחו פיזיקאיםתחזיות של מודל Poincaré theta ושלל כמה גרסאות של המודל בסולם פלאנק (הסקאלה שבה מופרים חוקי הכבידה הקלאסיים הידועים). בנוסף, הניתוח שלהם סותר כמה יישומים ספציפיים של כוח הכבידה הקוונטי.
מה הלאה?
החוקרים מתכננים כעת להרחיב את המחקר שלהםמודלים אחרים של כבידה קוונטית יחד עם פיזיקאים סינים. הם ישתמשו בחומרים חדשים ובשיטות ניתוח כדי לחפש אותות חלשים על מנת "לחשוף את מארג המרחב-זמן", מסבירים מחברי הניסויים.
"הדבר המעניין הוא שאנחנו יכולים לחקור חלקמודלים של כבידה קוונטית עם דיוק כה גבוה עד שאי אפשר לעשות זאת במאיצים מודרניים", מסכמים המדענים. "זו קפיצה גדולה הן מבחינה תיאורטית והן מבחינה ניסיוני".
קרא עוד:
מהנדס בן 17 המציא מנוע נטול מגנט: ניתן להשתמש בו בכלי רכב חשמליים
שני כוכבי לכת נמצאו לא הרחק מכדור הארץ. אולי הם מאוכלסים
מטאור ייחודי כתב מחדש את ההיסטוריה של מערכת השמש: מאיפה הוא הגיע
תמונת שער: ויקיפדיה