В течение десятилетий физики пытались создать модель квантовой гравитации, которая объединила бы квантовую физику и общую теорию относительности. Одно из основных препятствий — сложность экспериментальной проверки предсказаний.
Но некоторые из моделей предсказывают эффект, который можно исследовать в лаборатории: незначительное нарушение фундаментального квантового принципа, известный как принцип запрета Паули. Он определяет, например, как электроны расположены в атомах. Как раз над этим работают сотрудники проекта подземной лаборатории INFN под горами Гран-Сассо в Италии. Их цель — поиск признаков излучения, вызванного таким нарушением, в виде атомных переходов, запрещенных принципом Паули.
В двух статьях, опубликованных в журналах Physical Review Letters и Physical Review D, ученые рассказали, удалось ли им это.
Как работает принцип Паули?
На школьных уроках химии учат, что электроны располагаются в атомах только определенным образом. Оказывается, это связано с принципом запрета Паули. В центре атома находится атомное ядро, окруженное орбиталями с электронами. Первая орбиталь, например, содержит только два электрона.
Принцип запрета Паули, сформулированный австрийским физиком Вольфангом Паули в 1925 году, гласит — у никаких двух электронов не может быть одинакового квантового состояния. Так, на первой орбитали атома у двух электронов могут быть противоположно направленные спины. Это квантовое внутреннее свойство, обычно изображается как ось вращения, направленная вверх или вниз, хотя у электрона нет оси в буквальном смысле.
По сути, это значит, что одна материя не может проходить через другую. Как объясняют ученые, это работает повсеместно — «вы, я, мы основаны на принципе исключения Паули». Самый простой пример этого закона — тот факт, что люди не могут проходить сквозь стены.
Этот принцип распространяется на все элементарные частицы, принадлежащие к тому же семейству, что и электроны, и известные как фермионы. Его вывели математически из фундаментальной теоремы, известной как теорема о спиновой статистике. Также принцип исключения Паули подтверждали экспериментально. До сих пор считалось, что это верно для всех фермионов. Принцип запрета Паули составляет один из основных принципов стандартной модели физики элементарных частиц.
Нарушение принципа
Но согласно некоторым спекулятивным теориям, которые выходят за рамки Стандартной модели, этот принцип можно нарушить. 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, которые лежат в основе Стандартной модели, такие как принцип запрета Паули, могут нарушаться в экстремальных обстоятельствах.
Например, многие из этих нарушений естественно происходят в так называемых некоммутативных теориях и моделях квантовой гравитации. Одна из самых популярных — теория струн. Она описывает фундаментальные частицы как крошечные вибрирующие нити энергии в многомерных пространствах. Некоторые модели теории струн также предсказывают такое нарушение.
Сложность проверки
Традиционно считается, что такие предсказания трудно проверить. Квантовая гравитация «органична» только для мест, где огромное количество гравитации сосредоточено в крошечном пространстве. Самый простой пример — центр черной дыры точка зарождения Вселенной.
Однако авторы нового исследования придумали альтернативу. Эффект от нарушения принципа исключения и теоремы о спиновой статистике можно обнаружить в лабораторных экспериментах на Земле.
Глубоко под горами Гран-Сассо, недалеко от города Л’Акуила в Италии, физики работают над экспериментом VIP-2 по нарушению принципа Паули. В основе специального аппарата — толстый блок из римского свинца, рядом с которым находится германиевый детектор. Он улавливает небольшие признаки излучения, исходящего от металла.
Фото: Массимилиано Де Део, LNGS-INFN
Идея состоит в том, что если принцип запрета Паули нарушится, внутри свинца произойдет «запрещенный» атомный переход, генерирующий рентгеновское излучение с отчетливым энергетическим сигналом. Его уловит германиевый детектор.
Космическая тишина
Лабораторию специально разместили под землей, потому что излучение от такого процесса будет настолько слабым, что в противном случае его заглушит общее фоновое излучение от космических лучей на Земле. Как объясняют итальянские ученые, их лаборатория обеспечивает так называемую космическую тишину — гора Гран-Сассо уменьшает поток космических лучей в миллион раз. Однако лишь этого оказалось недостаточно.
Частота сигнала, который ищут физики, составляет всего одно или два события в день или меньше. Значит, используемые в эксперименте материалы сами должны быть «радиочистыми» — они не должны излучать ничего. А аппаратуру надо экранировать от излучения горных пород. На современных ускорителях это невозможно, пишут ученые.
Что сделали ученые?
Проведя эксперимент в подземной лаборатории, ученые не нашли доказательств нарушения принципа Паули. Это исключает некоторые модели квантовой гравитации. Иными словами, физики не уловили «запрещенный» сигнал. Во всяком случае, пока.
Также в рамках проекта физики проанализировали предсказания тета-модели Пуанкаре и исключили некоторые версии модели в масштабе Планка (масштабе, при котором известные классические законы гравитации нарушаются). Кроме того, их анализ противоречит некоторым конкретным реализациям квантовой гравитации.
Что дальше?
Сейчас ученые планируют расширить исследования на другие модели квантовой гравитации совместно с китайскими физиками. Они будут использовать новые материалы и методы анализа для поиска слабых сигналов, чтобы «раскрыть ткань пространства-времени», объясняют авторы экспериментов.
«Интересно то, что мы можем исследовать некоторые модели квантовой гравитации с такой высокой точностью, что невозможно сделать на современных ускорителях», — заключают ученые. — Это большой скачок как с теоретической, так и с экспериментальной точек зрения».
Читать далее:
17-летний инженер придумал безмагнитный двигатель: его смогут применять в электромобилях
Недалеко от Земли нашли две планеты. Возможно, они обитаемы
Уникальный метеор переписал историю Солнечной системы: откуда он прилетел
Фото на обложке: Wikipedia