Dešimtmečius fizikai bandė sukurti kvantinės gravitacijos modelį, kuris suvienytų kvantinę.
Tačiau kai kurie modeliai numato poveikįkurį galima ištirti laboratorijoje: nedidelis pagrindinio kvantinio principo, žinomo kaip Pauli išskyrimo principas, pažeidimas. Jis nustato, pavyzdžiui, kaip elektronai išsidėstę atomuose. Būtent su tuo dirbamas INFN požeminės laboratorijos projektas po Gran Sasso kalnais Italijoje. Jų tikslas – ieškoti tokio pažeidimo sukeltos spinduliuotės požymių – Pauli principu draudžiamų atominių perėjimų pavidalu.
Dviejuose straipsniuose, paskelbtuose žurnaluose Physical Review Letters ir Physical Review D, mokslininkai atskleidė, ar jiems pavyko.
Kaip veikia Pauli principas?
Mokyklos chemijos pamokose jie moko, kad elektronaiyra išsidėstę atomuose tik tam tikru būdu. Pasirodo, taip yra dėl Pauli išskyrimo principo. Atomo centre yra atomo branduolys, apsuptas orbitų, kuriose yra elektronų. Pavyzdžiui, pirmoje orbitoje yra tik du elektronai.
Pauli išskyrimo principas suformuluotasAustrų fizikas Wolfangas Pauli 1925 m. teigia, kad dviejų elektronų kvantinė būsena negali būti tokia pati. Taigi pirmoje atomo orbitoje du elektronai gali turėti priešingus sukinius. Ši kvantinė savybė paprastai vaizduojama kaip sukimosi ašis, nukreipta aukštyn arba žemyn, nors elektronas tiesiogine prasme ašies neturi.
Kvantinės gravitacinės fotonų lenktynės. Nuotrauka: NASA
Iš esmės tai reiškia, kad vien materija negalipereiti per kitą. Kaip aiškina mokslininkai, tai veikia visur – „tu, aš, mes remiamės Pauli išskyrimo principu“. Paprasčiausias šio įstatymo pavyzdys yra tai, kad žmonės negali vaikščioti per sienas.
Šis principas galioja visoms elementariomsdalelės, priklausančios tai pačiai šeimai kaip elektronai ir žinomos kaip fermionai. Jis buvo matematiškai išvestas iš pagrindinės teoremos, žinomos kaip sukimosi statistikos teorema. Pauli išskyrimo principas buvo patvirtintas ir eksperimentiškai. Iki šiol buvo manoma, kad tai galioja visiems fermionams. Pauli išskyrimo principas yra vienas iš pagrindinių dalelių fizikos standartinio modelio principų.
Principo pažeidimas
Tačiau remiantis kai kuriomis spekuliacinėmis teorijomis,kurie viršija standartinį modelį, šis principas gali būti pažeistas. Jau kelis dešimtmečius fizikai ieško pagrindinės tikrovės teorijos. Standartinis modelis puikiai paaiškina dalelių elgesį, sąveiką ir kvantinius procesus mikroskalėje. Tačiau tai neapima gravitacijos.
Taigi, fizikai bando sukurti vienijantįkvantinės gravitacijos teorija, kurios kai kurios versijos numato, kad ekstremaliomis aplinkybėmis gali būti pažeistos įvairios Standartinio modelio pagrindą grindžiančios savybės, pavyzdžiui, Pauli išskyrimo principas.
Pavyzdžiui, daugelis šių sutrikimų yra natūralūsatsiranda vadinamosiose nekomutacinėse kvantinės gravitacijos teorijose ir modeliuose. Viena populiariausių yra stygų teorija. Jame pagrindinės dalelės apibūdinamos kaip mažytės vibruojančios energijos gijos daugiamatėse erdvėse. Kai kurie stygų teorijos modeliai taip pat numato tokį pažeidimą.
Patikrinimo sunkumas
Tradiciškai manoma, kad tokios prognozėssunku patikrinti. Kvantinė gravitacija yra tik „organinė“ tose vietose, kur mažoje erdvėje sutelkta didžiulė gravitacija. Paprasčiausias pavyzdys yra juodosios skylės centras, Visatos kilmės taškas.
Tačiau naujo tyrimo autoriai sugalvojo alternatyvą. Išskyrimo principo ir sukimosi statistikos teoremos pažeidimo poveikis gali būti aptiktas laboratoriniais eksperimentais Žemėje.
Giliai po Gran Sasso kalnais, visai už miestoL'Aquila Italijoje, fizikai dirba su VIP-2 eksperimentu, kad pažeistų Pauli principą. Specialus aparatas pagamintas iš storo romėniško švino bloko, šalia kurio yra germanio detektorius. Jis paima nedidelius metalo spinduliavimo požymius.
Mažo radioaktyvumo požeminė laboratorija Gran Sasso mieste.
Nuotrauka: Massimiliano De Deo, LNGS-INFN
Idėja ta, kad jei draudimo principasPauli bus pažeistas, švino viduje įvyks „uždraustas“ atominis perėjimas, generuojantis rentgeno spinduliuotę su ryškiu energijos signalu. Jį paims germanio detektorius.
Kosminė tyla
Laboratorija buvo specialiai įrengta po žeme,nes tokio proceso spinduliuotė būtų tokia silpna, kad priešingu atveju ją užgožtų bendra Žemės kosminių spindulių foninė spinduliuotė. Kaip aiškina italų mokslininkai, jų laboratorija užtikrina vadinamąją kosminę tylą – Gran Sasso kalnas milijoną kartų sumažina kosminių spindulių srautą. Tačiau vien to nepakako.
Signalo dažnis, kurio ieško fizikaitik vienas ar du renginiai per dieną ar mažiau. Tai reiškia, kad pačios eksperimente naudojamos medžiagos turi būti „radijo švarios“ – jos neturi nieko skleisti. Ir įranga turi būti apsaugota nuo uolienų spinduliuotės. Tai neįmanoma naudojant šiuolaikinius greitintuvus, rašo mokslininkai.
Ką padarė mokslininkai?
Atlikęs eksperimentą požeminėje laboratorijoje,mokslininkai nerado jokių Pauli principo pažeidimo įrodymų. Tai atmeta kai kuriuos kvantinės gravitacijos modelius. Kitaip tariant, fizikai nepagavo „draudžiamo“ signalo. Bent jau kol kas.
Be to, kaip projekto dalį, fizikai analizavoPoincaré teta modelio prognozes ir neįtraukė kai kurių modelio versijų pagal Planko skalę (skalę, kurioje suyra žinomi klasikiniai gravitacijos dėsniai). Be to, jų analizė prieštarauja kai kuriems specifiniams kvantinės gravitacijos įgyvendinimams.
Kas toliau?
Dabar mokslininkai planuoja išplėsti tyrimuskiti kvantinės gravitacijos modeliai bendradarbiaujant su Kinijos fizikais. Eksperimentų autoriai aiškina, kad jie naudos naujas medžiagas ir analizės metodus, kad ieškotų silpnų signalų, kad „atskleistų erdvės ir laiko audinį“.
«Интересно то, что мы можем исследовать некоторые модели квантовой гравитации с такой высокой точностью, что невозможно сделать на современных ускорителях», — заключают ученые. — Это большой скачок как с теоретической, так и с экспериментальной точек зрения».
Skaityti daugiau:
17-metis inžinierius sugalvojo bemagnetį variklį: jį galima naudoti elektrinėse transporto priemonėse
Netoli Žemės buvo rastos dvi planetos. Galbūt jie yra apgyvendinti
Unikalus meteoras perrašė Saulės sistemos istoriją: iš kur jis atsirado
Фото на обложке: Wikipedia