何十年もの間、物理学者たちは量子重力を統一する量子重力のモデルを作ろうとしてきました。
しかし、一部のモデルは効果を予測していますこれは実験室で調べることができます: パウリの排他原理として知られる基本的な量子原理のわずかな違反です。たとえば、電子が原子内でどのように配置されているかを決定します。これはまさに、イタリアのグランサッソ山脈の下にある INFN 地下実験室プロジェクトの従業員が取り組んでいることです。彼らの目標は、パウリの原理によって禁止されている原子遷移の形で、そのような違反によって引き起こされる放射線の兆候を探すことです。
ジャーナル Physical Review Letters と Physical Review D に掲載された 2 つの論文で、科学者たちは成功したかどうかを説明しました。
パウリの原理はどのように機能しますか?
学校の化学の授業では、電子は特定の方法でのみ原子に配置されます。これは、パウリの排他原理によるものであることがわかりました。原子の中心には原子核があり、電子の軌道に囲まれています。たとえば、最初の軌道には 2 つの電子しか含まれていません。
公式化されたパウリの排除原理1925 年にオーストリアの物理学者 Wolfang Pauli は、2 つの電子が同じ量子状態を持つことはできないと述べています。したがって、原子の最初の軌道では、2 つの電子が反対方向のスピンを持つことができます。電子には文字通りの意味での軸はありませんが、この量子固有の特性は通常、回転の上下軸として表されます。
量子重力光子レース。写真：NASA
本質的に、これは物質だけではできないことを意味します別のものを通過します。科学者が説明しているように、これはどこでも機能します。「あなた、私、私たちはパウリの排除原理に基づいています」。この法律の最も単純な例は、人々が壁を通り抜けることができないという事実です。
この原則はすべてのエレメンタリーに適用されます電子と同じ族に属し、フェルミ粒子として知られている粒子。これは、スピン統計定理として知られる基本定理から数学的に導出されました。また、パウリの排他原理が実験的に確認されました。これまで、これはすべてのフェルミオンに当てはまると考えられていました。パウリの排他原理は、素粒子物理学の標準モデルの基本原理の 1 つです。
原則違反
しかし、いくつかの推測理論によると、標準モデルを超えると、この原則に違反する可能性があります。何十年もの間、物理学者は現実の基本理論を探してきました。標準モデルは、粒子の挙動、相互作用、および量子プロセスをミクロ レベルで説明するのに優れています。ただし、重力は含まれません。
そのため、物理学者は統一化を開発しようとしています量子重力理論のいくつかのバージョンでは、パウリの排他原理など、標準モデルの根底にあるさまざまな特性が極端な状況下で破られる可能性があると予測されています。
たとえば、これらの障害の多くは自然に量子重力のいわゆる非可換理論とモデルで発生します。最も有名なものの 1 つは弦理論です。彼女は、基本粒子を、多次元空間におけるエネルギーの小さな振動フィラメントとして説明しています。ひも理論のモデルの中には、そのような違反を予測するものもあります。
検証の難しさ
そのような予測は伝統的に信じられているチェックしにくい。量子重力は、巨大な重力が小さな空間に集中している場所でのみ「有機的」です。最も単純な例は、宇宙の誕生場所であるブラック ホールの中心です。
しかし、新しい研究の著者は別の方法を考え出しました。排除原理とスピン統計定理に違反する効果は、地球での実験室での実験で検出できます。
グラン・サッソ山脈の麓、イタリアのラクイラの町の近くで、物理学者たちが研究を行っている特別な装置の中心にはローマ鉛の厚いブロックがあり、その隣にはゲルマニウム検出器があります。金属から来る放射線の小さな兆候を拾います。
グランサッソの低放射能の地下実験室。
写真：マッシミリアーノ・デ・デオ、LNGS-INFN
アイデアは、もし禁止原則がパウリは違反され、鉛の内部には「禁じられた」原子遷移があり、明確なエネルギー信号でX線を生成します。ゲルマニウム検出器で検出されます。
スペース・サイレンス
実験室は特別に地下に設置されており、なぜなら、そのようなプロセスからの放射線は非常に弱いため、そうでなければ地球上の宇宙線からの一般的な背景放射線によってかき消されてしまうからです。イタリアの科学者が説明しているように、彼らの研究室はいわゆる宇宙の静寂を提供します - グラン・サッソ山は宇宙線の流れを100万分の1に減らします。しかし、これだけでは十分ではありませんでした。
物理学者が探している信号の周波数は次のとおりです。1 日に 1 つまたは 2 つのイベントしかありません。これは、実験で使用される材料自体が「放射性物質を含まない」ものでなければならない、つまり何も放出してはいけないことを意味します。また、機器は岩石の放射線から保護されていなければなりません。現代の加速器ではこれは不可能だと科学者たちは書いている。
科学者たちは何をしましたか？
地下実験室で実験を行った後、科学者たちはパウリ原則に違反する証拠を発見していません。これには、量子重力の一部のモデルが含まれません。言い換えれば、物理学者は「禁止」信号をキャッチできなかったのです。とにかく、今のところ。
また、プロジェクトの一環として、物理学者が分析したポアンカレ シータ モデルの予測を行い、プランク スケール (既知の古典的な重力法則に違反するスケール) 上のモデルのいくつかのバージョンを除外しました。さらに、彼らの分析は、量子重力のいくつかの特定の実装と矛盾します。
次は何ですか？
研究者らは現在、研究を次のような分野に拡大することを計画しています。中国の物理学者と一緒に量子重力の他のモデルを開発しました。 「時空の構造を明らかにする」ために、彼らは新しい材料と分析方法を使って弱い信号を探すだろうと実験の著者らは説明する。
「興味深いのは、いくつかのことを調査できることです。量子重力モデルは現代の加速器では不可能なほど高い精度で実現できる」と科学者らは結論づけている。 「これは理論的にも実験的にも大きな進歩です。」
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