Fyzici sa desaťročia pokúšali vytvoriť model kvantovej gravitácie, ktorý by kvantum zjednotil
Niektoré modely však predpovedajú účinokktoré možno skúmať v laboratóriu: mierne porušenie základného kvantového princípu známeho ako Pauliho vylučovací princíp. Určuje napríklad, ako sú elektróny usporiadané v atómoch. Presne na tom pracujú zamestnanci projektu podzemného laboratória INFN pod pohorím Gran Sasso v Taliansku. Ich cieľom je hľadať známky žiarenia spôsobeného takýmto porušením vo forme atómových prechodov zakázaných Pauliho princípom.
V dvoch článkoch publikovaných v časopisoch Physical Review Letters a Physical Review D vedci opísali, či sa im to podarilo.
Ako funguje Pauliho princíp?
Na hodinách chémie v škole učia, že elektrónyusporiadané v atómoch len určitým spôsobom. Ukazuje sa, že je to spôsobené Pauliho vylučovacím princípom. V strede atómu je atómové jadro obklopené orbitálmi s elektrónmi. Prvý orbitál napríklad obsahuje iba dva elektróny.
Pauliho vylučovací princíp, formulovanýRakúsky fyzik Wolfang Pauli v roku 1925 tvrdí, že žiadne dva elektróny nemôžu mať rovnaký kvantový stav. Takže v prvom orbitále atómu môžu mať dva elektróny opačne smerované rotácie. Táto kvantová vnútorná vlastnosť je zvyčajne znázornená ako os rotácie nahor alebo nadol, hoci elektrón nemá os v doslovnom zmysle.
Kvantová gravitačná fotónová rasa. Foto: NASA
V podstate to znamená, že samotná hmota nemôžeprejsť cez inú. Ako vedci vysvetľujú, funguje to všade - "ty, ja, my sme založený na Pauliho vylučovacom princípe." Najjednoduchším príkladom tohto zákona je skutočnosť, že ľudia nemôžu prechádzať cez steny.
Tento princíp platí pre všetky elementárnečastice, ktoré patria do rovnakej rodiny ako elektróny a sú známe ako fermióny. Bol matematicky odvodený zo základnej vety známej ako teorém spinovej štatistiky. Experimentálne bol potvrdený aj Pauliho vylučovací princíp. Doteraz sa predpokladalo, že to platí pre všetky fermióny. Pauliho vylučovací princíp je jedným zo základných princípov štandardného modelu časticovej fyziky.
Porušenie zásady
Ale podľa niektorých špekulatívnych teórií,ktoré presahujú štandardný model, môže byť tento princíp porušený. Fyzici už desaťročia hľadajú základnú teóriu reality. Štandardný model je vynikajúci pri vysvetľovaní správania častíc, interakcií a kvantových procesov na mikroúrovni. Nezahŕňa však gravitáciu.
Fyzici sa teda snažia vyvinúť zjednocovanieteória kvantovej gravitácie, ktorej niektoré verzie predpovedajú, že rôzne vlastnosti, ktoré sú základom štandardného modelu, ako napríklad Pauliho vylučovací princíp, môžu byť za extrémnych okolností porušené.
Napríklad mnohé z týchto porúch sú prirodzenésa vyskytujú v takzvaných nekomutatívnych teóriách a modeloch kvantovej gravitácie. Jednou z najpopulárnejších je teória strún. Základné častice popisuje ako drobné vibrujúce vlákna energie v multidimenzionálnych priestoroch. Niektoré modely teórie strún tiež predpovedajú takéto porušenie.
Náročnosť overenia
Tradične sa verí, že takéto predpovedeťažko skontrolovať. Kvantová gravitácia je „organická“ len pre miesta, kde sa obrovské množstvo gravitácie sústreďuje v malom priestore. Najjednoduchším príkladom je stred čiernej diery, rodisko vesmíru.
Autori novej štúdie však prišli s alternatívou. Vplyv porušenia princípu vylúčenia a teorému spinovej štatistiky možno zistiť v laboratórnych experimentoch na Zemi.
Hlboko pod pohorím Gran Sasso, hneď za mestomL'Aquila v Taliansku, fyzici pracujú na experimente VIP-2, aby porušili Pauliho princíp. Špeciálna aparatúra je založená na hrubom bloku rímskeho olova, vedľa ktorého je umiestnený detektor germánia. Zachytáva malé známky žiarenia vychádzajúceho z kovu.
Podzemné laboratórium nízkej rádioaktivity v Gran Sasso.
Foto: Massimiliano De Deo, LNGS-INFN
Myšlienka je taká, že ak princíp zákazuPauli bude narušený, vo vnútri zvodu bude "zakázaný" atómový prechod, generujúci röntgenové lúče s výrazným energetickým signálom. Zachytí ho detektor germánia.
Vesmírne ticho
Laboratórium bolo špeciálne umiestnené pod zemou,pretože žiarenie z takéhoto procesu by bolo také slabé, že by bolo inak prehlušené všeobecným žiarením pozadia z kozmického žiarenia na Zemi. Ako vysvetľujú talianski vedci, ich laboratórium poskytuje takzvané kozmické ticho – hora Gran Sasso miliónkrát znižuje tok kozmického žiarenia. To však samo o sebe nestačilo.
Frekvencia signálu, ktorý fyzici hľadajú, jelen jedna alebo dve udalosti denne alebo menej. To znamená, že materiály použité pri experimente musia byť samy o sebe „rádiovo čisté“ – nesmú nič vyžarovať. A vybavenie musí byť chránené pred žiarením skál. Na moderných urýchľovačoch je to nemožné, píšu vedci.
Čo urobili vedci?
Po vykonaní experimentu v podzemnom laboratóriu,vedci nenašli žiadne dôkazy o porušení Pauliho princípu. To vylučuje niektoré modely kvantovej gravitácie. Inými slovami, fyzici nezachytili „zakázaný“ signál. Každopádne, zatiaľ.
V rámci projektu analyzovali aj fyzicipredpovede modelu Poincaré theta a vylúčili niektoré verzie modelu v Planckovej mierke (mierka, v ktorej sa porušujú známe klasické zákony gravitácie). Navyše ich analýza odporuje niektorým špecifickým implementáciám kvantovej gravitácie.
Čo bude ďalej?
Vedci teraz plánujú rozšíriť svoj výskum oďalšie modely kvantovej gravitácie spolu s čínskymi fyzikmi. Použijú nové materiály a metódy analýzy na hľadanie slabých signálov, aby „odhalili štruktúru časopriestoru“, vysvetľujú autori experimentov.
„Zaujímavé na tom je, že niektoré môžeme preskúmaťmodely kvantovej gravitácie s takou vysokou presnosťou, že to nie je možné urobiť na moderných urýchľovačoch,“ uzatvárajú vedci. "Je to veľký skok teoreticky aj experimentálne."
Čítaj viac:
17-ročný inžinier prišiel s motorom bez magnetu: dá sa použiť v elektrických vozidlách
Neďaleko Zeme sa našli dve planéty. Možno sú obývané
Jedinečný meteor prepísal históriu slnečnej sústavy: odkiaľ prišiel
Titulná fotografia: Wikipedia