Timp de zeci de ani, fizicienii au încercat să creeze un model de gravitație cuantică care să unifice
Dar unele dintre modele prezic efectulcare poate fi investigat în laborator: o ușoară încălcare a unui principiu cuantic fundamental cunoscut sub numele de principiul excluderii Pauli. Ea determină, de exemplu, modul în care electronii sunt aranjați în atomi. Exact la asta lucrează angajații proiectului de laborator subteran INFN de sub munții Gran Sasso din Italia. Scopul lor este să caute semne de radiații cauzate de o astfel de încălcare, sub formă de tranziții atomice interzise de principiul Pauli.
În două lucrări publicate în reviste Physical Review Letters și Physical Review D, oamenii de știință au descris dacă au reușit.
Cum funcționează principiul Pauli?
În lecțiile de chimie din școală, ei predau că electroniidispuse în atomi doar într-un anumit fel. Se pare că acest lucru se datorează principiului excluderii Pauli. În centrul unui atom se află nucleul atomic, înconjurat de orbiti cu electroni. Primul orbital, de exemplu, conține doar doi electroni.
Principiul excluderii Pauli, formulatFizicianul austriac Wolfang Pauli în 1925 afirmă că doi electroni nu pot avea aceeași stare cuantică. Deci, în primul orbital al unui atom, doi electroni pot avea spini direcționați opus. Această proprietate intrinsecă cuantică este de obicei descrisă ca o axă de rotație în sus sau în jos, deși electronul nu are o axă într-un sens literal.
Cursa de fotoni gravitaționali cuantici. Foto: NASA
În esență, asta înseamnă că materia singură nu poatetrece prin alta. După cum explică oamenii de știință, acest lucru funcționează peste tot - „tu, eu, ne bazăm pe principiul excluderii Pauli”. Cel mai simplu exemplu al acestei legi este faptul că oamenii nu pot trece prin ziduri.
Acest principiu se aplică tuturor elementarelorparticule care aparțin aceleiași familii cu electronii și sunt cunoscute sub numele de fermioni. A fost derivat din punct de vedere matematic dintr-o teoremă fundamentală cunoscută sub numele de teorema statisticii spin. De asemenea, principiul excluderii Pauli a fost confirmat experimental. Până acum, se presupunea că acest lucru este valabil pentru toți fermionii. Principiul excluderii Pauli este unul dintre principiile de bază ale modelului standard al fizicii particulelor.
Încălcarea principiului
Dar, conform unor teorii speculative,care depășesc Modelul Standard, acest principiu poate fi încălcat. De zeci de ani, fizicienii caută o teorie fundamentală a realității. Modelul standard este excelent în explicarea comportamentului particulelor, a interacțiunilor și a proceselor cuantice la nivel micro. Cu toate acestea, nu include gravitația.
Deci, fizicienii încearcă să dezvolte o unificareteoria gravitației cuantice, dintre care unele versiuni prevăd că diferitele proprietăți care stau la baza modelului standard, cum ar fi principiul excluderii Pauli, pot fi încălcate în circumstanțe extreme.
De exemplu, multe dintre aceste tulburări sunt naturaleapar în așa-numitele teorii și modele necomutative ale gravitației cuantice. Una dintre cele mai populare este teoria corzilor. Ea descrie particulele fundamentale ca fiind mici filamente vibrante de energie în spații multidimensionale. Unele modele de teorie a corzilor prezic, de asemenea, o astfel de încălcare.
Dificultatea verificării
În mod tradițional se crede că astfel de predicțiigreu de verificat. Gravitația cuantică este „organică” doar pentru locurile în care o cantitate uriașă de gravitație este concentrată într-un spațiu mic. Cel mai simplu exemplu este centrul unei găuri negre, locul de naștere al universului.
Cu toate acestea, autorii noului studiu au venit cu o alternativă. Efectul încălcării principiului de excludere și a teoremei statisticii spin poate fi detectat în experimente de laborator pe Pământ.
Adânc sub munții Gran Sasso, chiar în afara orașuluiL'Aquila din Italia, fizicienii lucrează la experimentul VIP-2 pentru a încălca principiul Pauli. Aparatul special se bazează pe un bloc gros de plumb roman, lângă care se află un detector de germaniu. Preia mici semne de radiații provenite din metal.
Laborator subteran de radioactivitate scăzută în Gran Sasso.
Foto: Massimiliano De Deo, LNGS-INFN
Ideea este că dacă principiul interziceriiPauli va fi încălcat, în interiorul plumbului va avea loc o tranziție atomică „interzisă”, generând raze X cu un semnal energetic distinct. Acesta va fi preluat de un detector de germaniu.
Tăcerea spațiului
Laboratorul a fost amplasat special în subteran,deoarece radiația dintr-un astfel de proces ar fi atât de slabă încât, altfel, ar fi înecată de radiația generală de fundal a razelor cosmice de pe Pământ. După cum explică oamenii de știință italieni, laboratorul lor oferă așa-numita liniște cosmică - Muntele Gran Sasso reduce fluxul razelor cosmice de un milion de ori. Totuși, acest lucru în sine nu a fost suficient.
Frecvența semnalului pe care îl caută fizicienii estedoar unul sau două evenimente pe zi sau mai puțin. Aceasta înseamnă că materialele folosite în experiment trebuie să fie ele însele „radio-curate” - nu trebuie să emită nimic. Și echipamentul trebuie să fie protejat de radiațiile rocilor. Pe acceleratoarele moderne, acest lucru este imposibil, scriu oamenii de știință.
Ce au făcut oamenii de știință?
După efectuarea unui experiment într-un laborator subteran,oamenii de știință nu au găsit nicio dovadă a unei încălcări a principiului Pauli. Acest lucru exclude unele modele de gravitație cuantică. Cu alte cuvinte, fizicienii nu au prins semnalul „interzis”. Oricum, deocamdată.
De asemenea, în cadrul proiectului, fizicienii au analizatpredicții ale modelului Poincaré theta și a exclus unele versiuni ale modelului pe scara Planck (scara la care sunt încălcate legile clasice ale gravitației). În plus, analiza lor contrazice unele implementări specifice ale gravitației cuantice.
Ce urmează?
Cercetătorii intenționează acum să-și extindă cercetarea laalte modele de gravitație cuantică împreună cu fizicienii chinezi. Ei vor folosi noi materiale și metode de analiză pentru a căuta semnale slabe pentru a „dezvălui țesătura spațiu-timp”, explică autorii experimentelor.
„Lucru interesant este că putem explora câtevamodele de gravitație cuantică cu o precizie atât de mare încât este imposibil de realizat pe acceleratoarele moderne ”, concluzionează oamenii de știință. „Acesta este un salt mare atât teoretic, cât și experimental.”
Citeste mai mult:
Un inginer de 17 ani a venit cu un motor fără magnet: poate fi folosit în vehiculele electrice
Două planete au fost găsite nu departe de Pământ. Poate sunt locuite
Un meteor unic a rescris istoria sistemului solar: de unde a venit
Foto de copertă: Wikipedia