Протягом десятиліть фізики намагалися створити модель квантової гравітації, яка б об'єднала квантову
Але деякі моделі передбачають ефект,який можна дослідити у лабораторії: незначне порушення фундаментального квантового принципу, відомий як принцип заборони Паулі. Він визначає, наприклад, як електрони розташовані в атомах. Над цим працюють співробітники проекту підземної лабораторії INFN під горами Гран-Сассо в Італії. Їхня мета — пошук ознак випромінювання, викликаного таким порушенням, у вигляді атомних переходів, заборонених принципом Паулі.
У двох статтях, опублікованих у журналах Physical Review Letters та Physical Review D, вчені розповіли, чи вдалося їм це.
Як працює принцип Паулі?
На шкільних уроках хімії вчать, що електронирозташовуються в атомах лише певним чином. Виявляється, це пов'язано із принципом заборони Паулі. У центрі атома є атомне ядро, оточене орбіталями з електронами. Перша орбіталь, наприклад, містить лише два електрони.
Принцип заборони Паулі, сформульованийавстрійським фізиком Вольфангом Паулі в 1925 році, говорить - у жодних двох електронів не може бути однакового квантового стану. Так, на першій орбіталі атома у двох електронів можуть бути спрямовані протилежно спини. Це внутрішня квантова властивість, зазвичай зображується як вісь обертання, спрямована вгору або вниз, хоча у електрона немає осі в буквальному сенсі.
Квантова гравітаційна фотонна гонка. Фото: НАСА
По суті це означає, що одна матерія не можепроходити через іншу. Як пояснюють вчені, це працює повсюдно — «ви, я, ми ґрунтуємося на принципі виключення Паулі». Найпростіший приклад цього закону – той факт, що люди не можуть проходити крізь стіни.
Цей принцип поширюється на всі елементарнічастинки, що належать до того ж сімейства, як і електрони, і відомі як ферміони. Його вивели математично з фундаментальної теореми, відомої як теорема про спинову статистику. Також принцип виключення Паулі підтверджували експериментально. Досі вважалося, що це вірно всім ферміонів. Принцип заборони Паулі становить один із основних принципів стандартної моделі фізики елементарних частинок.
Порушення принципу
Але згідно з деякими спекулятивними теоріями,які виходять за рамки стандартної моделі, цей принцип можна порушити. Вже кілька десятиліть фізики шукають фундаментальну теорію реальності. Стандартна модель чудово пояснює поведінку частинок, взаємодії та квантові процеси на мікрорівні. Однак вона не містить гравітації.
Отже, фізики намагаються розробити об'єднуючутеорію квантової гравітації, деякі версії якої передбачають, що різні властивості, які лежать в основі стандартної моделі, такі як принцип заборони Паулі, можуть порушуватися в екстремальних обставинах.
Наприклад, багато з цих порушень природновідбуваються у так званих некомутативних теоріях та моделях квантової гравітації. Одна з найпопулярніших – теорія струн. Вона описує фундаментальні частинки як крихітні вібрують нитки енергії в багатовимірних просторах. Деякі моделі теорії струн також пророкують таке порушення.
Складність перевірки
Традиційно вважається, що такі прогнозиважко перевірити. Квантова гравітація «органічна» тільки для місць, де величезна кількість гравітації зосереджено у крихітному просторі. Найпростіший приклад - центр чорної діри - точка зародження Всесвіту.
Проте автори нового дослідження вигадали альтернативу. Ефект від порушення принципу виключення та теореми про спинову статистику можна виявити в лабораторних експериментах на Землі.
Глибоко під горами Гран-Сассо, неподалік містаЛ’Акуїла в Італії, фізики працюють над експериментом VIP-2 щодо порушення принципу Паулі. В основі спеціального апарату – товстий блок з римського свинцю, поряд з яким знаходиться германієвий детектор. Він уловлює невеликі ознаки випромінювання, що походить від металу.
Підземна лабораторія низької радіоактивності у Гран-Сассо.
Фото: Массиміліано Де Део, LNGS-INFN
Ідея полягає в тому, що якщо принцип заборониПаулі порушиться, усередині свинцю станеться «заборонений» атомний перехід, що генерує рентгенівське випромінювання із виразним енергетичним сигналом. Його вловить германієвий детектор.
Космічна тиша
Лабораторію спеціально розмістили під землею,тому що випромінювання від такого процесу буде настільки слабким, що інакше його заглушить загальне фонове випромінювання від космічних променів на Землі. Як пояснюють італійські вчені, їхня лабораторія забезпечує так звану космічну тишу – гора Гран-Сассо зменшує потік космічних променів у мільйон разів. Однак лише цього виявилося замало.
Частота сигналу, який шукають фізики, становитьвсього одне чи дві події щодня чи менше. Значить, матеріали, що використовуються в експерименті, самі повинні бути «радіочистими» — вони не повинні випромінювати нічого. А апаратуру треба екранувати від випромінювання гірських порід. На сучасних прискорювачах це не можливо, пишуть вчені.
Що зробили вчені?
Провівши експеримент у підземній лабораторії,вчені не знайшли доказів порушення принципу Паулі. Це виключає деякі моделі квантової гравітації. Іншими словами, фізики не вловили "заборонений" сигнал. Принаймні поки що.
Також у рамках проекту фізики проаналізувалипередбачення тета-моделі Пуанкаре та виключили деякі версії моделі в масштабі Планка (масштабі, при якому відомі класичні закони гравітації порушуються). Крім того, їхній аналіз суперечить деяким конкретним реалізаціям квантової гравітації.
Що далі?
Наразі вчені планують розширити дослідження наінші моделі квантової гравітації разом із китайськими фізиками. Вони використовуватимуть нові матеріали та методи аналізу для пошуку слабких сигналів, щоб «розкрити тканину простору-часу», пояснюють автори експериментів.
«Цікаво те, що ми можемо дослідити деякімоделі квантової гравітації з такою високою точністю, що неможливо зробити на сучасних прискорювачах», - роблять висновок вчені. — Це великий стрибок як з теоретичного, так і з експериментального погляду».
Читати далі:
17-річний інженер вигадав безмагнітний двигун: його зможуть застосовувати в електромобілях
Неподалік Землі знайшли дві планети. Можливо, вони живуть
Унікальний метеор переписав історію Сонячної системи: звідки він прилетів
Фото на обкладинці: Wikipedia