|
Подземная лаборатория ищет сигналы квантовой гравитации
|
|
|
|
В течение десятилетий физики охотились за моделью квантовой гравитации, которая объединила бы квантовую физику, законы, управляющие очень малым, и гравитацию. Одним из основных препятствий была сложность экспериментальной проверки предсказаний моделей-кандидатов. Но некоторые из моделей предсказывают эффект, который можно исследовать в лаборатории: очень незначительное нарушение фундаментального квантового принципа, называемого принципом запрета Паули, который определяет, например, как электроны расположены в атомах. Проект, осуществляемый в подземных лабораториях INFN под горами Гран-Сассо в Италии, направлен на поиск признаков излучения, вызванного таким нарушением, в виде атомных переходов, запрещенных принципом запрета Паули.
|
|
|
|
В двух статьях, опубликованных в журналах Physical Review Letters (опубликовано 19 сентября 2022 г.) и Physical Review D (принято к публикации 7 декабря 2022 г.), команда сообщает, что до сих пор не было обнаружено никаких доказательств нарушения, что исключает некоторые модели квантовой гравитации. На школьных уроках химии нас учат, что электроны могут располагаться в атомах только определенным образом, что, как оказывается, связано с принципом запрета Паули. В центре атома находится атомное ядро, окруженное орбиталями с электронами. Первая орбиталь, например, может содержать только два электрона. Принцип запрета Паули, сформулированный австрийским физиком Вольфангом Паули в 1925 году, гласит, что никакие два электрона не могут иметь одинаковое квантовое состояние; так, на первой орбитали атома два электрона имеют противоположно направленные «спины» (квантовое внутреннее свойство, обычно изображаемое как ось вращения, направленная вверх или вниз, хотя у электрона нет буквальной оси).
|
|
|
Счастливым результатом этого для людей является то, что это означает, что материя не может проходить через другую материю. «Это повсеместно — вы, я, мы основаны на принципе исключения Паули», — говорит Каталина Курчану, член физического аналитического центра Института фундаментальных вопросов, FQXi, и ведущий физик по экспериментам в INFN. Италия. «Тот факт, что мы не можем пересекать стены, является еще одним практическим следствием». Этот принцип распространяется на все элементарные частицы, принадлежащие к тому же семейству, что и электроны, называемые фермионами, и был математически выведен из фундаментальной теоремы, известной как теорема о спиновой статистике. Это также было подтверждено экспериментально — до сих пор — по-видимому, верно для всех фермионов в тестах. Принцип запрета Паули составляет один из основных принципов стандартной модели физики элементарных частиц.
|
|
|
|
Нарушение принципа
|
|
|
|
Но некоторые спекулятивные модели физики, выходящие за рамки стандартной модели, предполагают, что этот принцип может быть нарушен. Вот уже несколько десятилетий физики ищут фундаментальную теорию реальности. Стандартная модель великолепно объясняет поведение частиц, взаимодействия и квантовые процессы на микроуровне. Однако она не включает гравитацию. Итак, физики пытаются разработать объединяющую теорию квантовой гравитации, некоторые версии которой предсказывают, что различные свойства, лежащие в основе стандартной модели, такие как принцип запрета Паули, могут нарушаться в экстремальных обстоятельствах.
|
|
|
|
«Многие из этих нарушений естественно происходят в так называемых «некоммутативных» теориях и моделях квантовой гравитации, таких как те, которые мы исследовали в наших статьях», — говорит Курчану. Одним из самых популярных кандидатов на теорию 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 сообщали, противоречит некоторым конкретным реализациям квантовой гравитации», — говорит Курчану. Традиционно считается, что такие предсказания трудно проверить, потому что квантовая гравитация обычно становится актуальной только на аренах, где огромное количество гравитации сосредоточено в крошечном пространстве — подумайте о центре черной дыры или о начале Вселенной.
|
|
|
|
Однако Курчану и ее коллеги поняли, что может существовать тонкий эффект — признак того, что принцип исключения и теорема о спиновой статистике были нарушены, — который можно обнаружить в лабораторных экспериментах на Земле. Глубоко под горами Гран-Сассо, недалеко от города Л'Акуила в Италии, команда Курчану работает над свинцовым экспериментом VIP-2 (нарушение принципа Паули). В основе аппарата лежит толстый блок из римского свинца, рядом с которым находится германиевый детектор, способный улавливать небольшие признаки излучения, исходящего от свинца. Идея состоит в том, что если принцип запрета Паули будет нарушен, внутри римского свинца произойдет запрещенный атомный переход, генерирующий рентгеновское излучение с отчетливым энергетическим сигналом. Это рентгеновское излучение может быть уловлено германиевым детектором.
|
|
|
|
Космическая тишина
|
|
|
|
Лаборатория должна быть размещена под землей, потому что излучение от такого процесса будет настолько слабым, что в противном случае оно будет заглушено общим фоновым излучением на Земле от космических лучей. «Наша лаборатория обеспечивает так называемую «космическую тишину» в том смысле, что гора Гран-Сассо уменьшает поток космических лучей в миллион раз», — говорит Курчану. Однако одного этого недостаточно. «Наш сигнал имеет возможную частоту всего одно или два события в день или меньше», — говорит Курчану. Это означает, что используемые в эксперименте материалы сами должны быть «радиочистыми», т. е. сами не должны излучать никакого излучения, а аппаратура должна быть экранирована от излучения горных пород и излучения, идущего из-под земли.
|
|
|
|
«Чрезвычайно интересно то, что мы можем исследовать некоторые модели квантовой гравитации с такой высокой точностью, что невозможно сделать на современных ускорителях», — говорит Курчану. В своих недавних работах команда сообщает, что не нашла доказательств нарушения принципа Паули. «Финансирование FQXi было основополагающим для разработки методов анализа данных», — говорит Курчану. Это позволило команде установить ограничения на размер любого возможного нарушения и помогло им ограничить некоторые предлагаемые модели квантовой гравитации. В частности, команда проанализировала предсказания так называемой «тета-модели Пуанкаре» и смогла исключить некоторые версии модели в масштабе Планка (масштабе, при котором известные классические законы гравитации нарушаются). Кроме того, «анализ, о котором мы сообщали, противоречит некоторым конкретным реализациям квантовой гравитации», — говорит Курчану.
|
|
|
|
Теперь команда планирует расширить свои исследования на другие модели квантовой гравитации вместе со своими коллегами-теоретиками Антонино Марчиано из Фуданьского университета и Андреа Аддази из Сычуаньского университета в Китае. «В экспериментальной части мы будем использовать новые материалы и новые методы анализа для поиска слабых сигналов, чтобы раскрыть ткань пространства-времени», — говорит Курчану. «Чрезвычайно интересно то, что мы можем исследовать некоторые модели квантовой гравитации с такой высокой точностью, что невозможно сделать на современных ускорителях», — добавляет Курчану. «Это большой скачок как с теоретической, так и с экспериментальной точек зрения».
|
|
|
|
Источник
|
