Podzemni talijanski laboratorij traži signale kvantne gravitacije
Desetljećima su fizičari tragali za modelom kvantne gravitacije koji bi ujedinio kvantnu fiziku, zakone koji upravljaju vrlo malima i gravitaciju. Jedna od glavnih prepreka bile su poteškoće u eksperimentalnom testiranju predviđanja modela kandidata. Ali neki od modela predviđaju učinak koji se može ispitati u laboratoriju: vrlo malo kršenje temeljnog kvantnog načela zvanog Paulijevo načelo isključenja, koje određuje, na primjer, kako su elektroni raspoređeni u atomima.
Projekt proveden u podzemnim laboratorijima INFN-a ispod planina Gran Sasso u Italiji, tražio je znakove zračenja proizvedenog takvim kršenjem u obliku atomskih prijelaza zabranjenih Paulijevim načelom isključenja.
U dva rada koja se pojavljuju u časopisima Physical Review Letters (objavljeno 19. rujna 2022.) i Physical Review D (odobreno za objavljivanje 7. prosinca 2022.), tim izvješćuje da do sada nisu pronađeni nikakvi dokazi o kršenju isključujući neke kvantno-gravitacijske modele.
Na školskim satovima kemije uče nas da se elektroni mogu rasporediti samo na određene specifične načine u atomima, što se pokazalo kao posljedica Paulijevog načela isključenja. U središtu atoma nalazi se atomska jezgra, okružena orbitalama, s elektronima. Prva orbitala, na primjer, može sadržavati samo dva elektrona. Paulijevo načelo isključenja, koje je formulirao austrijski fizičar Wolfang Pauli 1925., kaže da dva elektrona ne mogu imati isto kvantno stanje; dakle, u prvoj orbiti atoma dva elektrona imaju suprotno usmjerene "spinove" (kvantno unutarnje svojstvo koje se obično prikazuje kao os rotacije, usmjerena gore ili dolje, iako u elektronu ne postoji doslovna os).
Pozitivan rezultat navedenog za nas je da to znači kako materija ne može proći kroz drugu materiju. "Sveprisutan je - ti, ja, mi se temeljimo na Paulijevom principu isključenja", kaže Catalina Curceanu, članica istraživačkog centra za fiziku, Instituta za temeljna pitanja, FQXi, i vodeća fizičarka na eksperimentima na INFN-u, Italija. "Činjenica da ne možemo proći kroz zidove još je jedna praktična posljedica."
Načelo se proteže na sve elementarne čestice koje pripadaju istoj obitelji kao i elektroni, koje se nazivaju fermioni, a matematički je izvedeno iz temeljnog teorema poznatog kao teorem spinske statistike. Također je eksperimentalno potvrđeno - do sada - što se čini da vrijedi za sve fermione u testovima. Paulijevo načelo isključenja čini jedno od temeljnih načela standardnog modela fizike čestica.
Kršenje načela
Ali neki spekulativni modeli fizike, izvan standardnog modela, sugeriraju da bi načelo moglo biti narušeno. Fizičari već desetljećima tragaju za temeljnom teorijom stvarnosti. Standardni model je izvrstan u objašnjavanju ponašanja čestica, interakcija i kvantnih procesa na mikroskali. Međutim, standardni model ne uključuje gravitaciju.
Dakle, fizičari pokušavaju razviti objedinjujuću teoriju kvantne gravitacije, pri čemu neke verzije iste predviđaju da različita svojstva koja podupiru standardni model, kao što je Paulijev princip isključenja, mogu biti povrijeđena u ekstremnim okolnostima.
"Mnoga od ovih kršenja prirodno se pojavljuju u takozvanim 'nekomutativnim' teorijama i modelima kvantne gravitacije, poput onih koje smo istraživali u našim radovima", kaže Curceanu. Jedan od najpopularnijih kandidata za teoriju kvantne gravitacije je teorija struna, koja opisuje fundamentalne čestice kao sićušne vibrirajuće niti energije u višedimenzionalnim prostorima. Neki modeli teorije struna također predviđaju takvo kršenje.
"Analiza koju smo objavili ne ide u prilog nekim konkretnim spoznajama kvantne gravitacije", kaže Curceanu.
Tradicionalno se smatra da je teško testirati takva predviđanja jer će kvantna gravitacija obično postati relevantna samo u poljima gdje postoji ogromna količina gravitacije koncentrirana u malenom prostoru - pomislite na središte crne rupe ili početak svemira.
Međutim, Curceanu i njezini kolege shvatili su da bi mogao postojati suptilan učinak - znak da su prekršeni princip isključenja i teorem spin-statistike - koji bi se mogao otkriti u laboratorijskim eksperimentima na Zemlji.
Duboko ispod planina Gran Sasso, u blizini grada L'Aquila, u Italiji, Curceanuov tim radi na vodećem eksperimentu VIP-2 (kršenje Paulijevog načela). U središtu aparata je debeli blok izrađen od rimskog olova, s obližnjim germanij detektorom koji može uhvatiti male znakove zračenja koje izvire iz olova.
Ideja je da će se, ako se Paulijevo načelo isključenja prekrši, unutar rimskog olova dogoditi zabranjeni atomski prijelaz, generirajući X-zraku s izrazitim energetskim signalom. Ovaj rendgenski snimak može se uhvatiti pomoću germanij detektora.
Kozmička tišina
Laboratorij mora biti smješten pod zemljom jer će trag zračenja iz takvog procesa biti toliko slab da bi ga inače omelo opće pozadinsko zračenje na Zemlji prouzročeno kozmičkim zrakama. "Naš laboratorij osigurava ono što se zove 'kozmička tišina', u smislu da planina Gran Sasso smanjuje protok kozmičkih zraka milijun puta", kaže Curceanu. Međutim, samo to nije dovoljno.
"Naš signal ima moguću učestalost od samo jednog ili dva događaja dnevno, ili manje", kaže Curceanu. To znači da materijali korišteni u eksperimentu sami moraju biti "radio-čisti" - to jest, sami ne smiju emitirati nikakvo zračenje - i aparat mora biti zaštićen od zračenja s planinskih stijena i zračenja koje dolazi iz podzemlja.
"Ono što je izuzetno uzbudljivo je da možemo ispitati neke modele kvantne gravitacije s tako visokom preciznošću, što je nemoguće učiniti na današnjim akceleratorima", kaže Curceanu.
U svojim nedavnim radovima, tim izvještava da nije pronašao dokaze za kršenje Paulijevog načela. "FQXi-financiranje bilo je temeljno za razvoj tehnika analize podataka", kaže Curceanu. To je omogućilo timu da postavi ograničenja na veličinu bilo kojeg mogućeg kršenja i pomoglo im da prinude neke predložene modele kvantne gravitacije.
Konkretno, tim je analizirao predviđanja takozvanog "theta-Poincaré" modela i bili su u mogućnosti isključiti neke verzije modela na Planckovu ljestvicu (ljestvica na kojoj se poznati klasični zakoni gravitacije ruše). Osim toga, "analiza koju smo objavili ne ide u prilog nekim konkretnim spoznajama kvantne gravitacije", kaže Curceanu.
Tim sada planira proširiti svoje istraživanje na druge modele kvantne gravitacije, sa svojim kolegama teoretičarima Antoninom Marcianòom sa Sveučilišta Fudan i Andreom Addazijem sa Sveučilišta Sichuan, obojca u Kini. "S eksperimentalne strane, koristit ćemo nove ciljne materijale i nove metode analize, kako bismo tražili slabe signale i razotkrili tkivo prostorvremena", kaže Curceanu.
"Ono što je izuzetno uzbudljivo je da možemo ispitati neke modele kvantne gravitacije s tako visokom preciznošću, što je nemoguće učiniti na današnjim akceleratorima", dodaje Curceanu. "Ovo je veliki skok, kako s teorijske tako i s eksperimentalne točke gledišta."
Izvor: phys