Подземная итальянская лаборатория ищет сигналы квантовой гравитации

Подземная лаборатория низкого уровня радиоактивности Гран-Сассо. Авторы и права: Массимилиано Ди Дио, LNGS-INFN

В течение десятилетий физики искали модель квантовой гравитации, которая объединила бы квантовую физику и законы, управляющие очень малой гравитацией. Одним из основных препятствий была сложность эмпирической проверки предсказаний моделей-кандидатов. Но некоторые модели предсказывают эффект, который можно проверить в лаборатории: очень незначительное нарушение фундаментальной квантовой доктрины, называемой принципом запрета Паули, который определяет, например, как электроны расположены в атомах.


Проект, выполненный в подземных лабораториях INFN под горами Гран-Сассо в Италии, искал признаки радиации, вызванной таким нарушением, в виде атомных переходов, запрещенных принципом запрета Паули.

В двух статьях, опубликованных в журналах Физические обзорные письма (Опубликовано 19 сентября 2022 г.) физический обзор d (Принято к публикации 7 декабря 2022 г.) Команда сообщает, что на сегодняшний день не было обнаружено никаких доказательств нарушения, исключающего некоторые модели квантовой гравитации.

На школьных уроках химии мы узнаём, что электроны могут располагаться в атомах только определённым образом, что, как оказалось, связано с принципом запрета Паули. В центре атома находится ядро ​​атома, окруженное орбиталями с электронами. Первая орбиталь, например, может содержать только два электрона. Принцип запрета Паули, сформулированный австрийским физиком Вольфгангом Паули в 1925 году, гласит, что никакие два электрона не могут иметь одинаковые квантовое состояние; Итак, на первой орбите атома два электрона имеют противоположные «спины» (внутреннее квантовое свойство, обычно изображаемое как ось вращения, направленная вверх или вниз, даже если электрон не имеет буквальной оси).

Счастливым следствием этого для людей является то, что материя не может пройти через другую материю. — говорит Каталина Коркино, член Центра физических исследований Института фундаментальных вопросов, FQXi, и главный физик-экспериментатор INFN в Италии. «Тот факт, что мы не можем пересечь стены, является результатом другого процесса».

Принцип распространяется на всех Элементарные частицы Они принадлежат к тому же семейству, что и электроны, называемые фермионами, и математически выведены из фундаментальной теории, известной как теория сигмоид. Это также было подтверждено экспериментально — до сих пор — и, по-видимому, содержит все фермионы в тестах. Принцип запрета Паули — один из фундаментальных принципов Стандартной модели физики элементарных частиц.

нарушение принципа

Но некоторые спекулятивные модели физики, отличные от Стандартной модели, предполагают, что этот принцип может быть нарушен. Вот уже несколько десятилетий физики ищут фундаментальную теорию реальности. Стандартная модель прекрасно объясняет поведение частиц, взаимодействия и квантовые процессы в микроскопическом масштабе. Однако она не включает гравитацию.

Поэтому физики попытались разработать единую теорию квантовой гравитации, некоторые версии которой предсказывают различные свойства, лежащие в ее основе. стандартная форматакие как принцип запрета Паули, в экстремальных обстоятельствах.

«Многие из этих нарушений происходят естественным образом в так называемых «некоммутативных» теориях и моделях квантовой гравитации, таких как те, которые мы исследовали в наших статьях», — говорит Крессино. Одним из наиболее популярных подходов к квантовой гравитации является теория струн, описывающая фундаментальные частицы как крошечные вибрирующие нити энергии в многомерных пространствах. Некоторые модели теории струн также предсказывают такое нарушение.

«Анализ, о котором мы сообщаем, не поддерживает конкретную реализацию квантовой гравитации», — говорит Крезино.

Традиционно считается, что такие предсказания трудно проверить, потому что квантовая гравитация обычно становится актуальной только на аренах, где огромное количество гравитации сосредоточено в небольшом пространстве — подумайте о центре черной дыры или о начале Вселенной.

Однако Курчану и ее коллеги поняли, что может существовать скрытый эффект — признак нарушения принципа исключения и теории спиновой статистики, — который можно обнаружить в лабораторных экспериментах на Земле.

Глубоко в горах Гран-Сассо, недалеко от городка Л’Акуила в Италии, команда Корчиано проводит тест-драйв VIP-2 (нарушение принципа Паоли). В основе устройства лежит толстый блок из римского свинца, рядом с которым находится германиевый детектор, способный улавливать крошечные признаки излучения, испускаемого свинцом.

Идея состоит в том, что если принцип запрета Паули будет нарушен, внутри римского свинца произойдет запрещенный атомный переход, генерирующий рентгеновские лучи с характерным энергетическим сигналом. Эти рентгеновские лучи могут быть уловлены германиевым детектором.

Космическая тишина

Лаборатория должна была быть расположена под землей, потому что радиационный след от такого процесса был бы очень слабым, иначе он был бы скрыт общим фоновым излучением на Земле от космических лучей. «Наша лаборатория гарантирует так называемую «космическую тишину», то есть Гран-Сассо уменьшает поток космических лучей в миллион раз», — говорит Корчиано. Одного этого недостаточно.

«Наш сигнал имеет потенциальную частоту только одного или двух событий в день или меньше», — говорит Курчану. Это означает, что материалы, используемые в эксперименте, сами должны быть «радиоактивно чистыми», т. е. сами не должны излучать никакого излучения, а прибор должен быть защищен от излучения горных пород и излучения из-под земли.

«Что очень интересно, так это то, что мы можем исследовать некоторые модели квантовой гравитации с такой высокой точностью, которую невозможно сделать на современных ускорителях», — говорит Крезино.

В своих последних работах команда сообщила, что не нашла доказательств нарушения принципа Паули. «Финансирование FQXi сыграло ключевую роль в развитии методов анализа данных», — говорит Курчану. Это позволило команде установить ограничения на величину любого возможного нарушения и помогло им ограничить некоторые из предложенных ими моделей квантовой гравитации.

В частности, команда проанализировала предсказания так называемой «тета-модели Пуанкаре» и смогла исключить некоторые версии модели для шкалы Планка (шкала, по которой рушатся известные классические законы гравитации). Кроме того, «анализ, о котором мы сообщаем, не поддерживает конкретную реализацию квантовой гравитации», — говорит Крезино.

Теперь команда планирует расширить свои исследования на другие модели квантовой гравитации с коллегами-теоретиками Антонино Марчиано из Фуданьского университета и Андреа Адази из Сычуаньского университета в Китае. «В экспериментальной части мы будем использовать новые материалы и новые методы анализа для поиска слабых сигналов, чтобы выявить структуру пространства-времени», — говорит Корчиано.

«Что очень интересно, так это то, что мы можем исследовать некоторые модели квантовой гравитации с такой высокой точностью, что невозможно сделать на современных ускорителях», — добавляет Крезино. «Это огромный скачок, как теоретически, так и экспериментально».

Дополнительная информация:
Кристиан Песичча и др., Сильнейшие ограничения атомной физики на невзаимные модели квантовой гравитации, Физические обзорные письма (2022). DOI: 10.1103/PhysRevLett.129.131301

Кристиан Песичча и др., Экспериментальное тестирование невзаимной квантовой гравитации руководителем VIP-2, физический обзор d (2022). Journal.aps.org/prd/accepted/… 182249cd253e38bf3406

Предоставлено Институтом фундаментальных вопросов FQXi.

цитата: Итальянская подземная лаборатория ищет сигналы квантовой гравитации (2022 г., 19 декабря). Получено 20 декабря 2022 г. с https://phys.org/news/2022-12-underground-italian-lab-quantum-gravity.html.

Этот документ защищен авторским правом. За исключением любой честной сделки с целью частного изучения или исследования, никакая часть не может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только в ознакомительных целях.

READ  Испытание НАСА на столкновение с астероидом DART оставило след длиной более 6000 миль.

Olga Dmitrieva

Любитель алкоголя. Возмутитель спокойствия. Интроверт. Студент. Любитель социальных сетей. Веб-ниндзя. Поклонник Бэкона. Читатель

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.

Наверх