Decennia lang hebben natuurkundigen geprobeerd een model van kwantumzwaartekracht te creëren dat kwantum zou verenigen
Maar sommige modellen voorspellen het effectdie in het laboratorium kan worden onderzocht: een lichte schending van een fundamenteel kwantumprincipe dat bekend staat als het Pauli-uitsluitingsprincipe. Het bepaalt bijvoorbeeld hoe elektronen in atomen zijn gerangschikt. Dit is precies waar de medewerkers van het INFN ondergrondse laboratoriumproject onder het Gran Sasso-gebergte in Italië aan werken. Hun doel is om te zoeken naar tekenen van straling veroorzaakt door een dergelijke overtreding, in de vorm van atomaire overgangen die verboden zijn door het Pauli-principe.
In twee artikelen gepubliceerd in de tijdschriften Physical Review Letters en Physical Review D, beschrijven de wetenschappers of ze daarin zijn geslaagd.
Hoe werkt het Pauli-principe?
In scheikundelessen op school leren ze dat elektronenalleen op een bepaalde manier in atomen gerangschikt. Het blijkt dat dit te wijten is aan het uitsluitingsprincipe van Pauli. In het centrum van een atoom bevindt zich de atoomkern, omgeven door orbitalen met elektronen. De eerste orbitaal bevat bijvoorbeeld slechts twee elektronen.
Het uitsluitingsprincipe van Pauli, geformuleerdDe Oostenrijkse natuurkundige Wolfang Pauli stelt in 1925 dat geen twee elektronen dezelfde kwantumtoestand kunnen hebben. Dus in de eerste orbitaal van een atoom kunnen twee elektronen tegengesteld gerichte spins hebben. Deze kwantumintrinsieke eigenschap wordt meestal weergegeven als een opwaartse of neerwaartse rotatieas, hoewel het elektron in letterlijke zin geen as heeft.
Kwantumzwaartekrachtfotonenrace. Foto: Nasa
In wezen betekent dit dat materie alleen dat niet kaneen ander passeren. Zoals de wetenschappers uitleggen, werkt dit overal - "jij, ik, wij zijn gebaseerd op het Pauli-uitsluitingsprincipe." Het eenvoudigste voorbeeld van deze wet is het feit dat mensen niet door muren kunnen lopen.
Dit principe geldt voor alle basisscholendeeltjes die tot dezelfde familie behoren als elektronen en bekend staan als fermionen. Het is wiskundig afgeleid van een fundamentele stelling die bekend staat als de spinstatistiekenstelling. Ook werd het Pauli-uitsluitingsprincipe experimenteel bevestigd. Tot nu toe werd aangenomen dat dit voor alle fermionen gold. Het uitsluitingsprincipe van Pauli is een van de basisprincipes van het standaardmodel van de deeltjesfysica.
Overtreding van het principe
Maar volgens sommige speculatieve theorieën,die verder gaan dan het Standaardmodel, kan dit principe geschonden worden. Al tientallen jaren zoeken natuurkundigen naar een fundamentele theorie van de werkelijkheid. Het Standaard Model is uitstekend in het verklaren van deeltjesgedrag, interacties en kwantumprocessen op microniveau. Het omvat echter niet de zwaartekracht.
Natuurkundigen proberen dus een unificatie te ontwikkelende theorie van kwantumzwaartekracht, waarvan sommige versies voorspellen dat verschillende eigenschappen die ten grondslag liggen aan het standaardmodel, zoals het Pauli-uitsluitingsprincipe, onder extreme omstandigheden kunnen worden geschonden.
Veel van deze aandoeningen zijn bijvoorbeeld van naturekomen voor in de zogenaamde niet-commutatieve theorieën en modellen van kwantumzwaartekracht. Een van de meest populaire is de snaartheorie. Ze beschrijft fundamentele deeltjes als kleine vibrerende filamenten van energie in multidimensionale ruimtes. Sommige modellen van de snaartheorie voorspellen ook zo'n overtreding.
Moeilijkheid van verificatie
Traditioneel wordt aangenomen dat dergelijke voorspellingenmoeilijk te controleren. Kwantumzwaartekracht is alleen "organisch" voor plaatsen waar een enorme hoeveelheid zwaartekracht is geconcentreerd in een kleine ruimte. Het eenvoudigste voorbeeld is het centrum van een zwart gat, de geboorteplaats van het universum.
De auteurs van de nieuwe studie kwamen echter met een alternatief. Het effect van het schenden van het uitsluitingsprincipe en de stelling van spinstatistieken kan worden gedetecteerd in laboratoriumexperimenten op aarde.
Diep onder het Gran Sasso-gebergte, net buiten de stadL'Aquila in Italië werken natuurkundigen aan het VIP-2-experiment om het Pauli-principe te schenden. Het speciale apparaat is gebaseerd op een dik blok Romeins lood, waarnaast een germaniumdetector staat. Het vangt kleine tekenen van straling op die uit het metaal komen.
Ondergronds laboratorium met lage radioactiviteit in Gran Sasso.
Foto: Massimiliano De Deo, LNGS-INFN
Het idee is dat als het verbod principePauli zal worden geschonden, in de leiding zal er een "verboden" atomaire overgang zijn, waardoor röntgenstralen worden gegenereerd met een duidelijk energiesignaal. Het wordt opgepikt door een germaniumdetector.
Ruimte stilte
Het laboratorium was speciaal ondergronds geplaatst,omdat de straling van een dergelijk proces zo zwak zou zijn dat het anders zou worden overstemd door de algemene achtergrondstraling van kosmische straling op aarde. Zoals Italiaanse wetenschappers uitleggen, zorgt hun laboratorium voor de zogenaamde kosmische stilte - de berg Gran Sasso vermindert de stroom van kosmische straling met een miljoen keer. Dit alleen was echter niet genoeg.
De frequentie van het signaal waar natuurkundigen naar zoeken isslechts een of twee evenementen per dag of minder. Dit betekent dat de materialen die in het experiment worden gebruikt zelf "radio-clean" moeten zijn - ze mogen niets uitzenden. En de apparatuur moet worden afgeschermd tegen de straling van stenen. Op moderne versnellers is dit onmogelijk, schrijven wetenschappers.
Wat hebben de wetenschappers gedaan?
Na het uitvoeren van een experiment in een ondergronds laboratorium,wetenschappers hebben geen bewijs gevonden voor een schending van het Pauli-principe. Dit sluit sommige modellen van kwantumzwaartekracht uit. Met andere woorden, natuurkundigen hebben het "verboden" signaal niet opgevangen. Hoe dan ook, voor nu.
Ook, als onderdeel van het project, analyseerden natuurkundigenvoorspellingen van het theta-model van Poincaré en sloot sommige versies van het model op de Planck-schaal (de schaal waarop de bekende klassieke wetten van de zwaartekracht worden geschonden) uit. Bovendien is hun analyse in tegenspraak met enkele specifieke implementaties van kwantumzwaartekracht.
Wat is de volgende stap?
De onderzoekers zijn nu van plan hun onderzoek uit te breiden naarandere modellen van kwantumzwaartekracht samen met Chinese natuurkundigen. Ze zullen nieuwe materialen en analysemethoden gebruiken om naar zwakke signalen te zoeken om "het weefsel van ruimte-tijd te onthullen", leggen de auteurs van de experimenten uit.
“Het interessante is dat we er een paar kunnen verkennenmodellen van kwantumzwaartekracht met zo'n hoge nauwkeurigheid dat het onmogelijk is om het op moderne versnellers te doen, 'concluderen de wetenschappers. "Dit is zowel theoretisch als experimenteel een grote stap."
Lees verder:
De 17-jarige ingenieur bedacht een magneetloze motor: hij kan worden gebruikt in elektrische voertuigen
Niet ver van de aarde zijn twee planeten gevonden. Misschien zijn ze bewoond
Een unieke meteoor herschreef de geschiedenis van het zonnestelsel: waar kwam het vandaan
Omslagfoto: Wikipedia