I flere tiår har fysikere forsøkt å lage en modell av kvantetyngdekraft som ville forene kvante
Men noen av modellene spår effektensom kan undersøkes i laboratoriet: et lite brudd på et grunnleggende kvanteprinsipp kjent som Pauli eksklusjonsprinsippet. Den bestemmer for eksempel hvordan elektroner er ordnet i atomer. Det er nettopp dette de ansatte i det underjordiske laboratorieprosjektet INFN under Gran Sasso-fjellene i Italia jobber med. Målet deres er å se etter tegn på stråling forårsaket av et slikt brudd, i form av atomoverganger forbudt av Pauli-prinsippet.
I to artikler publisert i tidsskriftene Physical Review Letters og Physical Review D, beskrev forskerne om de lyktes.
Hvordan fungerer Pauli-prinsippet?
I skolens kjemitimer lærer de at elektronerordnet i atomer bare på en bestemt måte. Det viser seg at dette skyldes Paulis eksklusjonsprinsipp. I sentrum av et atom er atomkjernen, omgitt av orbitaler med elektroner. Den første orbitalen inneholder for eksempel bare to elektroner.
Pauli eksklusjonsprinsippet, formulertDen østerrikske fysikeren Wolfang Pauli uttalte i 1925 at ingen to elektroner kan ha samme kvantetilstand. Så, i den første orbitalen til et atom, kan to elektroner ha motsatt rettede spinn. Denne kvanteegenskapen er vanligvis avbildet som en rotasjonsakse opp eller ned, selv om elektronet ikke har en akse i bokstavelig forstand.
Kvantegravitasjonsfotonrase. Foto: NASA
I hovedsak betyr dette at materie alene ikke kangå gjennom en annen. Som forskerne forklarer, fungerer dette overalt – «du, jeg, vi er basert på Pauli-ekskluderingsprinsippet». Det enkleste eksemplet på denne loven er det faktum at folk ikke kan gå gjennom vegger.
Dette prinsippet gjelder for alle elementærepartikler som tilhører samme familie som elektroner og er kjent som fermioner. Det ble matematisk avledet fra en grunnleggende teorem kjent som spinnstatistikkteoremet. Også Pauli-eksklusjonsprinsippet ble bekreftet eksperimentelt. Inntil nå ble dette antatt å være sant for alle fermioner. Pauli eksklusjonsprinsippet er et av grunnprinsippene i Standardmodellen for partikkelfysikk.
Brudd på prinsippet
Men ifølge noen spekulative teorier,som går utover standardmodellen, kan dette prinsippet brytes. I flere tiår har fysikere lett etter en grunnleggende teori om virkeligheten. Standardmodellen er utmerket til å forklare partikkeladferd, interaksjoner og kvanteprosesser på mikronivå. Det inkluderer imidlertid ikke tyngdekraften.
Så, fysikere prøver å utvikle en samlendeteorien om kvantetyngdekraften, hvorav noen versjoner forutsier at ulike egenskaper som ligger til grunn for standardmodellen, som Pauli-eksklusjonsprinsippet, kan krenkes under ekstreme omstendigheter.
For eksempel er mange av disse lidelsene naturligforekommer i de såkalte ikke-kommutative teoriene og modellene for kvantegravitasjon. En av de mest populære er strengteori. Hun beskriver fundamentale partikler som små vibrerende filamenter av energi i flerdimensjonale rom. Noen modeller for strengteori forutsier også et slikt brudd.
Vanskeligheter med verifisering
Det er tradisjonelt antatt at slike spådommervanskelig å sjekke. Kvantetyngdekraften er "organisk" bare for steder der en enorm mengde tyngdekraft er konsentrert i et lite rom. Det enkleste eksemplet er sentrum av et svart hull, universets fødested.
Forfatterne av den nye studien kom imidlertid opp med et alternativ. Effekten av å bryte eksklusjonsprinsippet og spinnstatistikkteoremet kan oppdages i laboratorieeksperimenter på jorden.
Dypt under Gran Sasso-fjellene, like utenfor byenL'Aquila i Italia jobber fysikere med VIP-2-eksperimentet for å bryte Pauli-prinsippet. Spesialapparatet er basert på en tykk blokk av romersk bly, ved siden av den er det en germaniumdetektor. Den fanger opp små tegn på stråling som kommer fra metallet.
Underjordisk laboratorium med lav radioaktivitet i Gran Sasso.
Foto: Massimiliano De Deo, LNGS-INFN
Tanken er at dersom forbudsprinsippetPauli vil bli krenket, en "forbudt" atomovergang vil skje inne i ledningen, som genererer røntgenstråler med et distinkt energisignal. Den vil bli plukket opp av en germaniumdetektor.
Stillhet i rommet
Laboratoriet ble spesielt plassert under jorden,fordi strålingen fra en slik prosess ville være så svak at den ellers ville bli overdøvet av den generelle bakgrunnsstrålingen fra kosmiske stråler på jorden. Som italienske forskere forklarer, sørger laboratoriet deres for den såkalte kosmiske stillheten - Mount Gran Sasso reduserer strømmen av kosmiske stråler med en million ganger. Dette alene var imidlertid ikke nok.
Frekvensen til signalet fysikerne leter etter erbare én eller to hendelser om dagen eller mindre. Det betyr at materialene som brukes i forsøket selv må være "radiorene" - de må ikke avgi noe. Og utstyret skal skjermes mot stråling fra steiner. På moderne akseleratorer er dette umulig, skriver forskere.
Hva har forskerne gjort?
Etter å ha utført et eksperiment i et underjordisk laboratorium,forskere har ikke funnet bevis for brudd på Pauli-prinsippet. Dette ekskluderer noen modeller av kvantegravitasjon. Med andre ord, fysikere fanget ikke opp det "forbudte" signalet. Uansett, foreløpig.
Også, som en del av prosjektet, analyserte fysikerespådommer av Poincaré theta-modellen og utelukket noen versjoner av modellen på Planck-skalaen (skalaen der de kjente klassiske tyngdekraftslovene brytes). I tillegg motsier deres analyse noen spesifikke implementeringer av kvantetyngdekraften.
Hva er neste?
Forskerne planlegger nå å utvide sin forskning tilandre modeller av kvantegravitasjon sammen med kinesiske fysikere. De vil bruke nye materialer og analysemetoder for å søke etter svake signaler for å «avsløre stoffet i rom-tid», forklarer forfatterne av eksperimentene.
"Det interessante er at vi kan utforske noenmodeller av kvantetyngdekraft med så høy nøyaktighet at det er umulig å gjøre på moderne akseleratorer, "konkluderer forskerne. "Dette er et stort sprang både teoretisk og eksperimentelt."
Les mer:
17 år gammel ingeniør kom opp med en magnetløs motor: den kan brukes i elektriske kjøretøy
To planeter er funnet ikke langt fra jorden. Kanskje de er bebodd
En unik meteor skrev om historien til solsystemet: hvor kom den fra
Forsidebilde: Wikipedia