Przez dziesięciolecia fizycy próbowali stworzyć model grawitacji kwantowej, który ujednoliciłby kwant
Ale niektóre modele przewidują efektktóre można zbadać w laboratorium: niewielkie naruszenie fundamentalnej zasady kwantowej znanej jako zasada wykluczenia Pauliego. Określa na przykład, jak rozmieszczone są elektrony w atomach. Właśnie nad tym pracują pracownicy projektu podziemnego laboratorium INFN pod górami Gran Sasso we Włoszech. Ich celem jest poszukiwanie oznak promieniowania spowodowanego takim naruszeniem, w postaci przejść atomowych zabronionych przez zasadę Pauliego.
W dwóch artykułach opublikowanych w czasopismach „Physical Review Letters” i „Physical Review D” naukowcy opisali, czy im się to udało.
Jak działa zasada Pauliego?
Na szkolnych lekcjach chemii uczą tego elektronyułożone w atomy tylko w określony sposób. Okazuje się, że wynika to z zasady wykluczenia Pauliego. W centrum atomu znajduje się jądro atomowe otoczone orbitalami z elektronami. Na przykład pierwszy orbital zawiera tylko dwa elektrony.
Sformułowano zasadę wykluczenia PauliegoAustriacki fizyk Wolfang Pauli w 1925 roku stwierdził, że żadne dwa elektrony nie mogą mieć tego samego stanu kwantowego. Tak więc na pierwszym orbicie atomu dwa elektrony mogą mieć przeciwnie skierowane spiny. Ta wewnętrzna właściwość kwantowa jest zwykle przedstawiana jako oś obrotu w górę lub w dół, chociaż elektron nie ma osi w sensie dosłownym.
Kwantowy grawitacyjny wyścig fotonów. Zdjęcie: NASA
Zasadniczo oznacza to, że sama materia nie możeprzejść przez inny. Jak wyjaśniają naukowcy, działa to wszędzie – „ty, ja, my opieramy się na zasadzie wykluczenia Pauliego”. Najprostszym przykładem tego prawa jest fakt, że ludzie nie mogą przechodzić przez ściany.
Ta zasada dotyczy wszystkich elementarnychcząstki, które należą do tej samej rodziny co elektrony i są znane jako fermiony. Został matematycznie wyprowadzony z podstawowego twierdzenia znanego jako twierdzenie o statystyce spinowej. Eksperymentalnie potwierdzono również zasadę wykluczenia Pauliego. Do tej pory zakładano, że dotyczy to wszystkich fermionów. Zasada wykluczenia Pauliego jest jedną z podstawowych zasad Modelu Standardowego fizyki cząstek elementarnych.
Naruszenie zasady
Ale według niektórych spekulatywnych teorii,które wykraczają poza Model Standardowy, zasada ta może zostać naruszona. Przez dziesięciolecia fizycy poszukiwali fundamentalnej teorii rzeczywistości. Model Standardowy doskonale wyjaśnia zachowanie cząstek, interakcje i procesy kwantowe na poziomie mikro. Nie obejmuje to jednak grawitacji.
Tak więc fizycy próbują opracować unifikacjęteoria grawitacji kwantowej, której niektóre wersje przewidują, że różne właściwości leżące u podstaw Modelu Standardowego, takie jak zasada wykluczenia Pauliego, mogą zostać naruszone w ekstremalnych okolicznościach.
Na przykład wiele z tych zaburzeń ma charakter naturalnywystępują w tzw. nieprzemiennych teoriach i modelach grawitacji kwantowej. Jedną z najpopularniejszych jest teoria strun. Opisuje cząstki elementarne jako maleńkie wibrujące włókna energii w wielowymiarowych przestrzeniach. Niektóre modele teorii strun również przewidują takie naruszenie.
Trudność weryfikacji
Tradycyjnie uważa się, że takie prognozytrudno sprawdzić. Grawitacja kwantowa jest „organiczna” tylko w miejscach, w których ogromna ilość grawitacji koncentruje się na małej przestrzeni. Najprostszym przykładem jest centrum czarnej dziury, miejsca narodzin wszechświata.
Jednak autorzy nowego badania wymyślili alternatywę. Efekt naruszenia zasady wykluczania i twierdzenia o statystyce spinów można wykryć w eksperymentach laboratoryjnych na Ziemi.
Głęboko pod górami Gran Sasso, na obrzeżach miastaW L'Aquila we Włoszech fizycy pracują nad eksperymentem VIP-2 mającym na celu naruszenie zasady Pauliego. Specjalna aparatura oparta jest na grubym bloku rzymskiego ołowiu, obok którego znajduje się detektor germanu. Wychwytuje niewielkie oznaki promieniowania pochodzącego z metalu.
Podziemne laboratorium o niskiej radioaktywności w Gran Sasso.
Zdjęcie: Massimiliano De Deo, LNGS-INFN
Chodzi o to, że jeśli zasada zakazuPauli zostanie naruszony, wewnątrz ołowiu nastąpi „zakazane” przejście atomowe, generujące promieniowanie rentgenowskie z wyraźnym sygnałem energetycznym. Zostanie wykryty przez detektor germanu.
Kosmiczna cisza
Laboratorium zostało specjalnie umieszczone pod ziemią,ponieważ promieniowanie z takiego procesu byłoby tak słabe, że w przeciwnym razie zostałoby zagłuszone przez ogólne promieniowanie tła z promieni kosmicznych na Ziemi. Jak tłumaczą włoscy naukowcy, ich laboratorium zapewnia tzw. ciszę kosmiczną - góra Gran Sasso milion razy ogranicza przepływ promieni kosmicznych. Jednak samo to nie wystarczyło.
Częstotliwość sygnału, którego szukają fizycy, wynositylko jedno lub dwa wydarzenia dziennie lub mniej. Oznacza to, że użyte w eksperymencie materiały same muszą być „radioczyste” – nie mogą niczego emitować. A sprzęt musi być osłonięty przed promieniowaniem skał. Na nowoczesnych akceleratorach jest to niemożliwe, piszą naukowcy.
Co zrobili naukowcy?
Po przeprowadzeniu eksperymentu w podziemnym laboratorium,naukowcy nie znaleźli dowodów na naruszenie zasady Pauliego. Wyklucza to niektóre modele grawitacji kwantowej. Innymi słowy, fizycy nie złapali „zakazanego” sygnału. W każdym razie na razie.
Również w ramach projektu analizowali fizycyprzewidywania modelu Poincaré theta i wykluczył niektóre wersje modelu w skali Plancka (skala, w której łamane są znane klasyczne prawa grawitacji). Ponadto ich analiza zaprzecza niektórym konkretnym implementacjom grawitacji kwantowej.
Co dalej?
Naukowcy planują teraz rozszerzyć swoje badania nainne modele kwantowej grawitacji wraz z chińskimi fizykami. Wykorzystają nowe materiały i metody analizy do wyszukiwania słabych sygnałów w celu „ujawnienia struktury czasoprzestrzeni” - wyjaśniają autorzy eksperymentów.
„Interesujące jest to, że niektóre z nich możemy zbadaćmodele grawitacji kwantowej z tak dużą dokładnością, że nie jest to możliwe na nowoczesnych akceleratorach ”- podsumowują naukowcy. „To duży skok zarówno teoretycznie, jak i eksperymentalnie”.
Czytaj więcej:
17-letni inżynier wymyślił silnik bez magnesu: można go stosować w pojazdach elektrycznych
Niedaleko Ziemi odkryto dwie planety. Być może są zamieszkane
Wyjątkowy meteor napisał na nowo historię Układu Słonecznego: skąd się wziął
Zdjęcie na okładce: Wikipedia