수십 년 동안 물리학자들은 양자를 통합하는 양자 중력 모델을 만들려고 노력해 왔습니다.
그러나 일부 모델은 효과를 예측합니다.이는 실험실에서 조사할 수 있습니다. 파울리 배타 원리로 알려진 기본 양자 원리를 약간 위반한 것입니다. 예를 들어 전자가 원자에 배열되는 방식을 결정합니다. 이것이 바로 이탈리아 Gran Sasso 산 아래 INFN 지하 실험실 프로젝트의 직원들이 작업하고 있는 것입니다. 그들의 목표는 파울리 원리에 의해 금지된 원자 전이의 형태로 그러한 위반으로 인한 방사선의 징후를 찾는 것입니다.
Physical Review Letters 및 Physical Review D 저널에 발표된 두 개의 논문에서 과학자들은 그들이 성공했는지 여부를 설명했습니다.
Pauli 원리는 어떻게 작동합니까?
학교 화학 수업에서 그들은 전자가특정 방식으로 만 원자로 배열됩니다. 이것은 Pauli 배타 원리 때문인 것으로 밝혀졌습니다. 원자의 중심에는 전자가 있는 오비탈로 둘러싸인 원자핵이 있습니다. 예를 들어 첫 번째 오비탈에는 전자가 두 개만 포함되어 있습니다.
공식화된 Pauli 배제 원칙1925년 오스트리아의 물리학자 Wolfang Pauli는 두 개의 전자가 동일한 양자 상태를 가질 수 없다고 말했습니다. 따라서 원자의 첫 번째 궤도에서 두 전자는 반대 방향의 스핀을 가질 수 있습니다. 이 양자 고유 속성은 전자가 문자 그대로 축을 갖지는 않지만 일반적으로 위쪽 또는 아래쪽 회전축으로 묘사됩니다.
양자 중력 광자 경주. 사진: NASA
본질적으로 이것은 물질만으로는 할 수 없다는 것을 의미합니다.다른 것을 통과하십시오. 과학자들이 설명했듯이 이것은 모든 곳에서 작동합니다. "당신, 나, 우리는 Pauli 배제 원칙을 기반으로 합니다." 이 법칙의 가장 간단한 예는 사람들이 벽을 통과할 수 없다는 사실입니다.
이 원칙은 모든 초등학교에 적용됩니다.전자와 같은 계열에 속하는 입자로 페르미온(fermions)이라고 합니다. 그것은 스핀 통계 정리로 알려진 기본 정리에서 수학적으로 파생되었습니다. 또한, 파울리 배타 원리는 실험적으로 확인되었다. 지금까지 이것은 모든 페르미온에 대해 참이라고 가정했습니다. Pauli 배제 원리는 입자 물리학의 표준 모델의 기본 원리 중 하나입니다.
원칙 위반
그러나 일부 추측 이론에 따르면,표준 모델을 벗어나는 경우 이 원칙을 위반할 수 있습니다. 수십 년 동안 물리학자들은 근본적인 현실 이론을 찾고 있었습니다. 표준 모델은 미시적 수준에서 입자 거동, 상호 작용 및 양자 프로세스를 설명하는 데 탁월합니다. 그러나 중력은 포함하지 않습니다.
그래서 물리학자들은 통일된 방법을 개발하려고 노력하고 있습니다.파울리 배타 원리와 같은 표준 모델의 기초가 되는 다양한 속성이 극한 상황에서 위반될 수 있다고 예측하는 일부 버전의 양자 중력 이론.
예를 들어, 이러한 장애 중 다수는 자연적으로양자 중력의 소위 비가환 이론 및 모델에서 발생합니다. 가장 인기있는 것 중 하나는 끈 이론입니다. 그녀는 기본 입자를 다차원 공간에서 진동하는 작은 에너지 필라멘트라고 설명합니다. 끈 이론의 일부 모델도 그러한 위반을 예측합니다.
검증의 어려움
전통적으로 그러한 예측은확인하기 어렵다. 양자중력은 아주 작은 공간에 막대한 양의 중력이 집중되어 있는 곳에서만 "유기적"이다. 가장 간단한 예는 우주의 발상지인 블랙홀의 중심입니다.
그러나 새로운 연구의 저자들은 대안을 제시했습니다. 배타 원리와 스핀 통계 정리를 위반한 결과는 지구상의 실험실 실험에서 감지할 수 있습니다.
도시 바로 외곽의 Gran Sasso 산 아래 깊은 곳이탈리아 라퀼라(L'Aquila) 물리학자들은 파울리 원리를 위반하는 VIP-2 실험을 진행하고 있습니다. 특수 장치는 게르마늄 탐지기가 옆에 있는 두꺼운 로마 납 블록을 기반으로 합니다. 금속에서 나오는 작은 방사선 신호를 포착합니다.
Gran Sasso의 지하 저방사성 실험실.
사진: Massimiliano De Deo, LNGS-INFN
아이디어는 금지 원칙이Pauli는 위반되고 납 내부에는 "금지된" 원자 전이가 발생하여 뚜렷한 에너지 신호로 X-선을 생성합니다. 그것은 게르마늄 탐지기에 의해 픽업됩니다.
공간 침묵
연구실은 특별히 지하에 배치되었고,그러한 과정에서 나오는 방사선은 너무 약해서 그렇지 않으면 지구의 우주 광선에서 나오는 일반적인 배경 방사선에 묻힐 것이기 때문입니다. 이탈리아 과학자들이 설명했듯이 그들의 실험실은 소위 우주 침묵을 제공합니다. Mount Gran Sasso는 우주 광선의 흐름을 백만 배로 줄입니다. 그러나 이것만으로는 충분하지 않았습니다.
신호 물리학자들이 찾고 있는 신호의 주파수는하루에 한두 가지 이벤트. 이것은 실험에 사용된 재료 자체가 "무선 청정"이어야 함을 의미합니다. 즉, 아무 것도 방출하지 않아야 합니다. 그리고 장비는 암석의 방사선으로부터 보호되어야 합니다. 현대 가속기에서는 불가능하다고 과학자들은 말합니다.
과학자들은 무엇을 했습니까?
지하 실험실에서 실험을 한 후,과학자들은 Pauli 원칙을 위반했다는 증거를 찾지 못했습니다. 이것은 양자 중력의 일부 모델을 제외합니다. 즉, 물리학자들은 "금지" 신호를 포착하지 못했습니다. 어쨌든 지금은.
또한 프로젝트의 일환으로 물리학자들은Poincaré theta 모델의 예측과 플랑크 스케일(알려진 고전 중력 법칙이 위반되는 스케일)에서 모델의 일부 버전을 배제했습니다. 또한 그들의 분석은 양자 중력의 일부 특정 구현과 모순됩니다.
다음은 무엇입니까?
연구원들은 이제 연구를 다음으로 확장할 계획입니다.중국 물리학자들과 함께 양자 중력의 다른 모델. 그들은 "시공간 구조를 밝히기" 위해 약한 신호를 찾기 위해 새로운 재료와 분석 방법을 사용할 것이라고 실험의 저자는 설명합니다.
"흥미로운 점은 우리가 몇 가지를 탐색할 수 있다는 것입니다.현대 가속기에서는 불가능할 정도로 높은 정확도의 양자 중력 모델입니다.”라고 과학자들은 결론지었습니다. "이것은 이론적으로나 실험적으로나 큰 도약입니다."
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표지 사진: 위키백과