I decennier har fysiker försökt skapa en modell av kvantgravitation som skulle förena kvant
Men några av modellerna förutspår effektensom kan undersökas i laboratoriet: ett lätt brott mot en grundläggande kvantprincip känd som Paulis uteslutningsprincip. Det avgör till exempel hur elektroner är ordnade i atomer. Det är precis vad de anställda i INFN:s underjordiska laboratorieprojekt under Gran Sasso-bergen i Italien arbetar med. Deras mål är att leta efter tecken på strålning orsakad av en sådan kränkning, i form av atomära övergångar som är förbjudna enligt Pauli-principen.
I två artiklar publicerade i tidskrifterna Physical Review Letters och Physical Review D beskrev forskarna om de lyckades.
Hur fungerar Pauli-principen?
I skolans kemilektioner lär de ut att elektronerordnade i atomer endast på ett visst sätt. Det visar sig att detta beror på Paulis uteslutningsprincip. I centrum av en atom finns atomkärnan, omgiven av orbitaler med elektroner. Den första orbitalen innehåller till exempel bara två elektroner.
Pauli uteslutningsprincipen, formuleradDen österrikiska fysikern Wolfang Pauli 1925 konstaterade att inga två elektroner kan ha samma kvanttillstånd. Så i den första omloppsbanan av en atom kan två elektroner ha motsatt riktade snurr. Denna kvantinneboende egenskap avbildas vanligtvis som en rotationsaxel uppåt eller nedåt, även om elektronen inte har en axel i bokstavlig mening.
Kvantgravitationsfotonras. Foto: NASA
I huvudsak betyder detta att materia ensam inte kanpassera genom en annan. Som forskarna förklarar fungerar detta överallt - "du, jag, vi är baserade på Paulis uteslutningsprincip." Det enklaste exemplet på denna lag är det faktum att människor inte kan gå genom väggar.
Denna princip gäller för alla elementärapartiklar som tillhör samma familj som elektroner och är kända som fermioner. Det härleddes matematiskt från en grundläggande sats känd som spinstatistiksatsen. Pauli uteslutningsprincipen bekräftades också experimentellt. Fram till nu har detta antagits vara sant för alla fermioner. Pauli uteslutningsprincipen är en av grundprinciperna i standardmodellen för partikelfysik.
Brott mot principen
Men enligt vissa spekulativa teorier,som går utöver standardmodellen kan denna princip överträdas. I decennier har fysiker letat efter en grundläggande teori om verkligheten. Standardmodellen är utmärkt på att förklara partikelbeteende, interaktioner och kvantprocesser på mikronivå. Det inkluderar dock inte gravitationen.
Så, fysiker försöker utveckla en enandeteorin om kvantgravitation, vars vissa versioner förutspår att olika egenskaper som ligger till grund för standardmodellen, såsom Paulis uteslutningsprincip, kan kränkas under extrema omständigheter.
Till exempel är många av dessa störningar naturligaförekommer i de så kallade icke-kommutativa teorierna och modellerna för kvantgravitation. En av de mest populära är strängteori. Hon beskriver fundamentala partiklar som små vibrerande filament av energi i flerdimensionella utrymmen. Vissa modeller av strängteori förutsäger också en sådan överträdelse.
Svårighet att verifiera
Man tror traditionellt att sådana förutsägelsersvårt att kontrollera. Kvantgravitation är "organisk" endast för platser där en enorm mängd gravitation är koncentrerad i ett litet utrymme. Det enklaste exemplet är mitten av ett svart hål, universums födelseplats.
Författarna till den nya studien kom dock på ett alternativ. Effekten av att bryta mot uteslutningsprincipen och spinstatistiksatsen kan upptäckas i laboratorieexperiment på jorden.
Djupt under Gran Sasso-bergen, strax utanför stadenL'Aquila i Italien arbetar fysiker med VIP-2-experimentet för att bryta mot Pauli-principen. Den speciella apparaten är baserad på ett tjockt block av romerskt bly, bredvid det finns en germaniumdetektor. Den plockar upp små tecken på strålning som kommer från metallen.
Underjordiskt laboratorium med låg radioaktivitet i Gran Sasso.
Foto: Massimiliano De Deo, LNGS-INFN
Tanken är att om förbudsprincipenPauli kommer att kränkas, inuti ledningen kommer det att finnas en "förbjuden" atomövergång, som genererar röntgenstrålar med en distinkt energisignal. Det kommer att plockas upp av en germaniumdetektor.
Rymdtystnad
Laboratoriet var speciellt placerat under jord,eftersom strålningen från en sådan process skulle vara så svag att den annars skulle drunkna i den allmänna bakgrundsstrålningen från kosmiska strålar på jorden. Som italienska forskare förklarar ger deras laboratorium den så kallade kosmiska tystnaden - Mount Gran Sasso minskar flödet av kosmiska strålar med en miljon gånger. Detta var dock inte tillräckligt.
Frekvensen på signalen fysiker letar efter ärbara en eller två händelser om dagen eller mindre. Det betyder att materialen som används i experimentet själva måste vara "radiorena" - de får inte avge något. Och utrustningen måste skyddas från strålning från stenar. På moderna acceleratorer är detta omöjligt, skriver forskare.
Vad har forskarna gjort?
Efter att ha genomfört ett experiment i ett underjordiskt laboratorium,forskare har inte hittat några bevis för brott mot Pauli-principen. Detta utesluter vissa modeller av kvantgravitation. Med andra ord, fysiker fångade inte den "förbjudna" signalen. Hur som helst, för nu.
Också, som en del av projektet, analyserade fysikerförutsägelser av Poincaré theta-modellen och uteslöt vissa versioner av modellen på Planck-skalan (skalan där de kända klassiska tyngdlagarna överträds). Dessutom motsäger deras analys vissa specifika implementeringar av kvantgravitation.
Vad är nästa?
Forskarna planerar nu att utöka sin forskning tillandra modeller av kvantgravitation tillsammans med kinesiska fysiker. De kommer att använda nya material och analysmetoder för att söka efter svaga signaler för att "avslöja rymdtidens struktur", förklarar författarna till experimenten.
"Det intressanta är att vi kan utforska en delmodeller av kvantgravitation med så hög noggrannhet att det är omöjligt att göra på moderna acceleratorer, avslutar forskarna. "Det här är ett stort steg både teoretiskt och experimentellt."
Läs mer:
17-årig ingenjör kom med en magnetlös motor: den kan användas i elfordon
Två planeter har hittats inte långt från jorden. Kanske är de bebodda
En unik meteor skrev om solsystemets historia: var kom den ifrån
Omslagsfoto: Wikipedia