แรงโน้มถ่วงควอนตัม "ต้องห้าม" ถูกค้นหาใน "ความเงียบของจักรวาล": สิ่งที่เกิดขึ้น

เป็นเวลาหลายทศวรรษที่นักฟิสิกส์พยายามสร้างแบบจําลองของแรงโน้มถ่วงควอนตัมที่จะรวมแรงโน้มถ่วงควอนตัมเข้าด้วยกัน

อุปสรรคสําคัญประการหนึ่งคือความยากลําบากในการทดสอบการคาดการณ์

แต่บางรุ่นทำนายผลซึ่งสามารถตรวจสอบได้ในห้องปฏิบัติการ: เป็นการละเมิดหลักการควอนตัมพื้นฐานเล็กน้อยที่เรียกว่าหลักการกีดกันเพาลี ตัวอย่างเช่น กำหนดวิธีการจัดเรียงอิเล็กตรอนในอะตอม นี่คือสิ่งที่พนักงานของโครงการห้องปฏิบัติการใต้ดิน INFN ใต้ภูเขา Gran Sasso ในอิตาลีกำลังทำอยู่ เป้าหมายของพวกเขาคือการมองหาสัญญาณของการแผ่รังสีที่เกิดจากการละเมิดดังกล่าว ในรูปแบบของการเปลี่ยนผ่านของอะตอมที่ห้ามโดยหลักการของเพาลี

ในเอกสารสองฉบับที่ตีพิมพ์ในวารสาร Physical Review Letters และ Physical Review D นักวิทยาศาสตร์อธิบายว่าพวกเขาทำสำเร็จหรือไม่

หลักการของ Pauli ทำงานอย่างไร?

ในบทเรียนเคมีของโรงเรียน พวกเขาสอนว่าอิเล็กตรอนเรียงตัวเป็นอะตอมในลักษณะใดลักษณะหนึ่งเท่านั้น ปรากฎว่านี่เป็นเพราะหลักการกีดกันของ Pauli ที่ศูนย์กลางของอะตอมคือนิวเคลียสของอะตอม ล้อมรอบด้วยออร์บิทัลที่มีอิเล็กตรอน ตัวอย่างเช่น ออร์บิทัลแรกประกอบด้วยอิเล็กตรอนเพียงสองตัว

หลักการกีดกันของ Pauli จัดทำขึ้นนักฟิสิกส์ชาวออสเตรีย Wolfang Pauli ในปี 1925 กล่าวว่าไม่มีอิเล็กตรอนสองตัวที่สามารถมีสถานะควอนตัมเดียวกันได้ ดังนั้น ในออร์บิทัลแรกของอะตอม อิเล็กตรอนสองตัวสามารถหมุนตรงข้ามกันได้ คุณสมบัติภายในของควอนตัมนี้มักจะแสดงเป็นแกนขึ้นหรือลงของการหมุน แม้ว่าอิเล็กตรอนจะไม่มีแกนในความหมายตามตัวอักษรก็ตาม

การแข่งขันโฟตอนความโน้มถ่วงควอนตัม รูปถ่าย: องค์การนาซ่า

โดยพื้นฐานแล้วนี่หมายความว่าสสารเพียงอย่างเดียวไม่สามารถทำได้ผ่านอีก ดังที่นักวิทยาศาสตร์อธิบายไว้ วิธีนี้ใช้ได้ทุกที่ - "คุณ ฉัน เรายึดตามหลักการกีดกันของเพาลี" ตัวอย่างที่ง่ายที่สุดของกฎหมายนี้คือข้อเท็จจริงที่ว่าผู้คนไม่สามารถเดินผ่านกำแพงได้

หลักการนี้ใช้กับระดับประถมศึกษาทั้งหมดอนุภาคที่อยู่ในตระกูลเดียวกับอิเล็กตรอนและเรียกว่าเฟอร์มิออน มันได้มาจากทฤษฎีบทพื้นฐานทางคณิตศาสตร์ที่เรียกว่าทฤษฎีบทสถิติการหมุน นอกจากนี้ หลักการกีดกันของเพาลียังได้รับการยืนยันจากการทดลอง จนถึงขณะนี้ สันนิษฐานว่าเป็นจริงสำหรับเฟอร์มิออนทั้งหมด หลักการแยกตัวของเพาลีเป็นหนึ่งในหลักการพื้นฐานของแบบจำลองมาตรฐานของฟิสิกส์ของอนุภาค

การละเมิดหลักการ

แต่ตามทฤษฎีการคาดเดาบางทฤษฎีระบุว่าที่นอกเหนือไปจาก Standard Model หลักการนี้สามารถถูกละเมิดได้ เป็นเวลาหลายทศวรรษที่นักฟิสิกส์มองหาทฤษฎีพื้นฐานของความเป็นจริง แบบจำลองมาตรฐานนั้นยอดเยี่ยมในการอธิบายพฤติกรรมของอนุภาค ปฏิสัมพันธ์ และกระบวนการควอนตัมในระดับจุลภาค อย่างไรก็ตาม ไม่รวมแรงโน้มถ่วง

ดังนั้น นักฟิสิกส์จึงพยายามพัฒนาความเป็นหนึ่งเดียวทฤษฎีความโน้มถ่วงควอนตัม ซึ่งบางเวอร์ชันคาดการณ์ว่าคุณสมบัติต่างๆ ที่อยู่ภายใต้แบบจำลองมาตรฐาน เช่น หลักการกีดกันของเพาลี อาจถูกละเมิดได้ภายใต้สถานการณ์ที่รุนแรง

ตัวอย่างเช่น ความผิดปกติหลายอย่างเหล่านี้เป็นไปโดยธรรมชาติเกิดขึ้นในทฤษฎีที่ไม่สลับสับเปลี่ยนและแบบจำลองของแรงโน้มถ่วงควอนตัม หนึ่งในความนิยมมากที่สุดคือทฤษฎีสตริง เธออธิบายถึงอนุภาคมูลฐานว่าเป็นเส้นใยเล็กๆ ที่สั่นไหวของพลังงานในพื้นที่หลายมิติ ทฤษฎีสตริงบางรูปแบบทำนายการละเมิดดังกล่าวด้วย

ความยากในการตรวจสอบ

เป็นที่เชื่อกันมาแต่โบราณว่าคำทำนายดังกล่าวตรวจสอบได้ยาก แรงโน้มถ่วงควอนตัมเป็น "สารอินทรีย์" สำหรับสถานที่ที่มีแรงโน้มถ่วงจำนวนมากกระจุกตัวอยู่ในอวกาศเล็กๆ เท่านั้น ตัวอย่างที่ง่ายที่สุดคือศูนย์กลางของหลุมดำซึ่งเป็นแหล่งกำเนิดของเอกภพ

อย่างไรก็ตาม ผู้เขียนการศึกษาใหม่ได้เสนอทางเลือกอื่น ผลกระทบของการละเมิดหลักการกีดกันและทฤษฎีบทสถิติการหมุนสามารถตรวจพบได้ในการทดลองในห้องปฏิบัติการบนโลก

ลึกลงไปใต้เทือกเขา Gran Sasso ใกล้กับเมือง L'Aquila ในอิตาลีนักฟิสิกส์กําลังทํางานอยู่หัวใจของอุปกรณ์พิเศษคือบล็อกตะกั่วโรมันหนาถัดจากที่มีเครื่องตรวจจับเจอร์เมเนียมมันรับสัญญาณเล็ก ๆ ของรังสีที่มาจากโลหะ

ห้องปฏิบัติการใต้ดินของกัมมันตภาพรังสีต่ําใน Gran Sasso 
รูปถ่าย: Massimiliano De Deo, LNGS-INFN

มีแนวคิดว่าถ้าหลักการห้ามเพาลีจะถูกละเมิด ภายในตะกั่วจะมีการเปลี่ยนแปลงของอะตอม "ต้องห้าม" ซึ่งสร้างรังสีเอกซ์พร้อมสัญญาณพลังงานที่แตกต่างกัน มันจะถูกตรวจจับโดยเครื่องตรวจจับเจอร์เมเนียม

ความเงียบในอวกาศ

ห้องทดลองถูกวางไว้ใต้ดินโดยเฉพาะเนื่องจากการแผ่รังสีจากกระบวนการดังกล่าวจะอ่อนมากจนถูกกลบด้วยรังสีพื้นหลังทั่วไปจากรังสีคอสมิกบนโลก ตามที่นักวิทยาศาสตร์ชาวอิตาลีอธิบาย ห้องปฏิบัติการของพวกเขาให้สิ่งที่เรียกว่าความเงียบของจักรวาล - Mount Gran Sasso ช่วยลดการไหลของรังสีคอสมิกได้ถึงล้านเท่า อย่างไรก็ตาม เพียงอย่างเดียวไม่เพียงพอ

ความถี่ของสัญญาณที่นักฟิสิกส์กำลังมองหาคือเพียงหนึ่งหรือสองเหตุการณ์ต่อวันหรือน้อยกว่านั้น ซึ่งหมายความว่าวัสดุที่ใช้ในการทดลองจะต้อง "สะอาดด้วยคลื่นวิทยุ" และต้องไม่ปล่อยสิ่งใดออกมา และอุปกรณ์ต้องได้รับการปกป้องจากการแผ่รังสีของหิน สำหรับเครื่องเร่งอนุภาคสมัยใหม่ เป็นไปไม่ได้ นักวิทยาศาสตร์เขียน

นักวิทยาศาสตร์ได้ทำอะไร?

หลังจากทำการทดลองในห้องปฏิบัติการใต้ดินนักวิทยาศาสตร์ไม่พบหลักฐานการละเมิดหลักการของเพาลี ซึ่งไม่รวมถึงแรงโน้มถ่วงควอนตัมบางรุ่น กล่าวอีกนัยหนึ่ง นักฟิสิกส์จับสัญญาณ "ต้องห้าม" ไม่ได้ อย่างไรก็ตามสำหรับตอนนี้

นักฟิสิกส์วิเคราะห์เป็นส่วนหนึ่งของโครงการการคาดคะเนของโมเดล Poincaré theta และตัดโมเดลบางรุ่นออกจากสเกลพลังค์ นอกจากนี้ การวิเคราะห์ของพวกเขายังขัดแย้งกับการนำแรงโน้มถ่วงควอนตัมไปใช้งานที่เฉพาะเจาะจง

ถัดไปคืออะไร

ขณะนี้นักวิจัยกำลังวางแผนที่จะขยายการวิจัยไปยังแบบจำลองแรงโน้มถ่วงควอนตัมอื่นๆ ร่วมกับนักฟิสิกส์ชาวจีน พวกเขาจะใช้วัสดุใหม่และวิธีการวิเคราะห์เพื่อค้นหาสัญญาณที่อ่อนแอเพื่อ "เปิดเผยโครงสร้างของกาลอวกาศ" ผู้เขียนการทดลองอธิบาย

“สิ่งที่น่าสนใจคือเราสามารถสำรวจบางอย่างได้แบบจำลองของแรงโน้มถ่วงควอนตัมที่มีความแม่นยำสูงซึ่งเป็นไปไม่ได้ที่จะทำกับเครื่องเร่งความเร็วสมัยใหม่” นักวิทยาศาสตร์สรุป “นี่เป็นก้าวกระโดดครั้งใหญ่ทั้งทางทฤษฎีและเชิงทดลอง”

อ่านเพิ่มเติม:

วิศวกรอายุ 17 ปี คิดค้นมอเตอร์ไร้แม่เหล็ก: สามารถใช้กับยานพาหนะไฟฟ้าได้

พบดาวเคราะห์ 2 ดวงอยู่ไม่ไกลจากโลก บางทีพวกมันอาจอาศัยอยู่

อุกกาบาตที่ไม่เหมือนใครได้เขียนประวัติศาสตร์ของระบบสุริยะใหม่: มันมาจากไหน

ภาพหน้าปก: วิกิพีเดีย