Jos otamme kiven tiukasti käsissämme, emme odota sen katoavan tai vuotavan läpi lihamme ja luut. Kokemuksemme mukaan kivi ja yleisemmin kiinteä aine on vakaa ja tunkeutumaton. Viime vuonna kului 50 vuotta Freeman Dysonin ja Andrew Lenardin mielenosoituksesta, jonka mukaan aineen vakaus johtuu Paulin poissulkemisperiaatteesta. Tämä periaate, josta Wolfgang Pauli sai 1945 fysiikan Nobel-palkinnon, perustuu ajatuksiin, jotka ovat niin yleisiä perusfysiikassa, että niiden taustaa kyseenalaistetaan harvoin. Täällä juhlimme ja pohdimme Pauli-periaatetta ja kartoitamme viimeisimmät kokeelliset toimet sen testaamiseksi.

Poissulkemisperiaate (EP), jonka mukaan kaksi fermionia ei voi miehittää samaa kvanttitilaa, on ollut kanssamme lähes vuosisadan ajan. Nobel-luennossaan Pauli antoi syvällisen ja laaja-alaisen selvityksen löytöstään ja yhteyksistään vasta syntyneen kvanttiteorian ratkaisemattomiin ongelmiin. 1920-luvun alussa, ennen kuin Schrödingerin yhtälö ja Heisenbergin matriisi-algebra olivat tulleet, nuori Pauli teki ylimääräisen feat, kun hän postitoi sekä EP: n että sen, mitä hän kutsui ”klassisesti kuvaamattomaksi kaksiarvoiseksi” – varhainen vihje elektronin spin – selittää atomispektrien rakennetta.

Tuolloin EP kohtasi jonkin verran vastarintaa ja Pauli itse epäili hänen käsitteitään. hieman huolimattomasti esitelty. Tilanne muuttui merkittävästi sen jälkeen, kun vuonna 1925 otettiin käyttöön elektronin pyörimiskonsepti ja sen tunnistaminen Paulin kaksiarvoisuuteen, joka johtui Landen empiirisistä ideoista, Kronigin alkuperäisestä ehdotuksesta sekä Goudsmitin ja Uhlenbeckin itsenäisestä paperista. Esittelemällä kuvan elektronista pieneksi klassiseksi palloksi, jonka pyörre voi osoittaa vain kahteen suuntaan, sekä Kronig että Goudsmit ja Uhlenbeck pystyivät laskemaan atomivedyn hienorakenteisen jakautumisen, vaikka heiltä puuttui vielä kriittinen kerroin kaksi. Näitä ensimmäisiä vaiheita seurasivat Thomasin relativistiset laskelmat, Paulin spin-laskenta ja lopulta vuonna 1928 Diracin tyylikäs aaltoyhtälö, joka lopetti kaiken vastustuksen spin-käsitteelle.

EP: n teoreettista selitystä oli kuitenkin odotettava jonkin aikaa. Juuri ennen toista maailmansotaa Pauli ja Markus Fierz tekivät merkittävä edistysaskel kohti tätä tavoitetta, minkä jälkeen Pauli julkaisi vuonna 1940 seminaari-artikkelinsa ”Linkous spinin ja tilastojen välillä”. Tämä artikkeli osoitti, että (olettaen relativistisesti invarianttisen syy-yhteyden muodon) hiukkasen spin määrittelee kommutointisuhteet, toisin sanoen onko kentät työmatkat vai työmatkat, ja siksi hiukkasten noudattamat tilastot. Spin-1/2-fermionien EP seuraa spin-tilastoyhteyden seurauksena, ja hiukkasten jakaminen fermioneiksi ja bosoneiksi heidän pyöriensä perusteella on yksi nykyaikaisen fysiikan kulmakivistä.

Beguilingly yksinkertainen

EP: tä on helppo sanoa, ja monet fyysikot ovat yrittäneet ohittaa suhteellisuusteoria ja löytää suoria todisteita, joissa käytetään pelkästään tavallista kvanttimekaniikkaa – olettaen kuitenkin spinin, joka on aidosti relativistinen käsite. Pauli itse oli hämmentynyt periaatteesta, ja Nobel-luennossaan hän totesi: ”Korostin jo alkuperäisessä artikkelissani sitä, että en kyennyt esittämään loogista syytä poissulkemisperiaatteelle tai johtamaan sitä yleisemmistä oletuksista. Minulla oli aina tunne ja minulla on edelleen se tänään, että tämä on puute.… Vaikutus siitä, että jonkin epätäydellisyyden varjo putosi tänne uuden kvanttimekaniikan menestyksen kirkkaaseen valoon, on mielestäni väistämätön. Jopa Feynman – joka yleensä ylittää toiset hämmästyttävällä intuitiollaan – tunsi turhautuneensa kyvyttömyydestään esittää yksinkertainen, suoraviivainen EP: n perustelu: ”Se näyttää olevan yksi harvoista fysiikan paikoista, joissa on sääntö, joka voidaan totesi hyvin yksinkertaisesti, mutta jolle kukaan ei ole löytänyt yksinkertaista ja helppoa selitystä … Tämä tarkoittaa todennäköisesti sitä, että meillä ei ole täydellistä ymmärrystä asiaan liittyvästä perusperiaatteesta. Tällä hetkellä sinun on vain pidettävä sitä yhtenä sääntöinä maailmanlaajuisesti. ”

Erityisen kiinnostava

Lisäteoreettisten tutkimusten jälkeen, jotka sisälsivät uusia todisteita spin-tilastoyhteydestä ja Greenin ottaman käyttöön niin kutsutun para-tilastot, Reines ja Sobel tarkastelivat ensin mahdollista EP: n mahdollista rikkomusta vuonna 1974, kun ne analysoivat uudelleen Goldhaberin ja Scharffin kokeilun vuonna 1948. Amado ja Primakoff kumoivat teoreettisesti pienten rikkomusten mahdollisuuden vuonna 1980, mutta aihe herätettiin uudelleen esiin vuonna 1987. . Tuona vuonna venäläinen teoreetikko Lev Okun esitteli mallin EP: n rikkomuksista, jossa hän piti modifioituja fermionisia tiloja, jotka tavallisen tyhjiön ja yhden hiukkasen tilan lisäksi sisältävät myös kahden hiukkasen tilan. Okun kirjoitti, että ”Paulin periaatteen erityinen paikka modernissa teoreettisessa fysiikassa ei tarkoita, että tämä periaate ei vaadi uusia ja tyhjentäviä kokeellisia testejä. Päinvastoin, nimenomaan Paulin periaatteen perusluonne tekisi tällaiset testit , koko jaksollisen taulukon ajan, erityisen kiinnostava. ”

Okunin malli joutui kuitenkin vaikeuksiin yrittäessään rakentaa kohtuullista hamiltonilaista, ensin siksi, että hamiltonilainen sisälsi ei-paikallisen termejä ja toiseksi, koska Okun ei onnistunut rakentamaan mallin relativistista yleistystä. Tästä huolimatta hänen julkaisunsa kannusti voimakkaasti kokeellisia kokeita atomeissa. Samana vuonna (1987) Ignatiev ja Kuzmin esittivät Okunin mallin laajennuksen ehdottomasti ei-relativi sitinen konteksti, jolle oli tunnusomaista ”beeta-parametri” | β | < < 1. Ei pidä sekoittaa relativistiseen tekijään v / c, β on parametri, joka kuvaa luontioperaattorin toimintaa yhden hiukkasen tila. Käyttämällä lelumallia havainnollistaakseen siirtymiä, jotka rikkovat EP: tä, Ignatiev ja Kuzmin päättelivät, että epänormaalin kahden elektronin symmetrisen tilan siirtymätodennäköisyys on verrannollinen β2 / 2: een, jota käytetään edelleen laajalti edustamaan EP: n rikkomisen todennäköisyyttä. p>

Tätä ei-relativistista lähestymistapaa kritisoi AB Govorkov, joka väitti, että Ignatievin ja Kuzminin naiivista mallia ei voitu laajentaa täysimittaiseksi kvanttikenttäteoriaksi. Koska syy-yhteys on tärkeä ainesosa Paulin todistuksessa spin-tilastoyhteydestä, Govorkovin vastalauseet voidaan kuitenkin ohittaa: myöhemmin vuonna 1987 Oscar Greenberg ja Rabindra Mohapatra Marylandin yliopistossa esittivät kvanttikenttäteorian, jossa jatkuvasti deformoituneet kommutointisuhteet johtivat syy-yhteyden rikkomiseen. Muodonmuutosparametri oli merkitty kirjaimella q, ja teorian piti kuvata uusia hypoteettisia hiukkasia, joita kutsutaan ”quoneiksi”. Govorkov pystyi kuitenkin osoittamaan, että edes tämä käden sika ei voinut huijata kvanttikenttäteoriaa pieniin EP: n rikkomuksiin. , osoittaen, että pelkkä antihiukkasten olemassaolo – jälleen todellinen kvanttikenttäteorian relativistinen tunnusmerkki – riitti sulkemaan pois pienet rikkomukset. Kotiin viemisen viesti oli, että paikkakunnan rikkominen ei riitä rikkomaan EP: tä, vaikka ”vain vähän ”.

Hiukkasten sisäisen pyörimisen ja niiden noudattamien tilastojen välinen yhteys on kvanttikenttäteorian ydin, ja siksi sitä tulisi testata. EP: n rikkominen olisi vallankumouksellista. Se voi liittyä joko CPT: n rikkomiseen tai esimerkiksi paikkakunnan tai Lorentzin muuttumattomuuden loukkaamiseen. Olemme kuitenkin nähneet, kuinka vankka EP on ja kuinka vaikeaa on muodostaa rikkomus nykyisessä kvanttikenttäteoriassa. Kokeilla ei ole vähäisempiä vaikeuksia, kuten Amado ja Primakoff totesivat jo vuonna 1980, ja on olemassa vain vähän kokeellisia vaihtoehtoja tämän modernin fysiikan periaatteen todelliseen testaamiseen.

Yksi kokeiden kohtaamista vaikeuksista on että alkeishiukkasten identtisyys merkitsee sitä, että Hamiltonin kansalaisten on oltava invariantteja hiukkasten vaihdon suhteen, ja tämän seurauksena he eivät voi muuttaa minkä tahansa saman identtisen hiukkasen tilan symmetriaa.Jopa monipartikkelisen järjestelmän sekoitetun symmetrian tapauksessa ei ole mitään fysikaalista tapaa indusoida siirtymistä eri symmetrian tilaan. Tämä on Messias – Greenberg -valintasäännön ydin, joka voidaan rikkoa vain, jos fyysinen järjestelmä on auki.

Sääntöjen rikkominen

Ensimmäinen tämän rikkomisen mukainen oma kokeilu Messias – Greenberg -valintasäännön suoritti vuonna 1990 Ramberg ja Snow, jotka etsivät Paulin kiellettyjä röntgensiirtymiä kuparissa elektronien tuomisen jälkeen järjestelmään. Ajatuksena on, että virtalähde, joka ruiskuttaa sähkövirtaa kuparijohtimeen, toimii elektronien lähteenä, jotka ovat uusia johtimen atomeille. Jos näillä elektroneilla on ”väärä” symmetria, ne voidaan siepata säteittäisesti kupariatomien jo varatulle 1S-tasolle ja lähettää sähkömagneettista säteilyä. Tuloksena oleviin röntgensäteisiin vaikuttaa epätavallinen elektronikonfiguraatio ja ne siirtyvät hieman kohti pienempiä energioita suhteessa tyypillisille kuparin röntgensäteille.

Ramberg ja Snow eivät havainneet rikkomuksia, mutta pystyivät asettamaan ylärajan rikkomistodennäköisyydelle of2 / 2 < 1,7 × 10–26. Heidän konseptinsa mukaisesti vuonna 2006 perustettiin paljon parempi versio kokeesta, nimeltään VIP (Pauli-periaatteen vastainen) LNGS: n maanalaisessa laboratoriossa Gran Sassossa, Italiassa. VIP parani merkittävästi Ramberg- ja Snow-kokeessa käyttämällä varainkytkettyjä laitteita (CCD) korkean resoluution röntgentunnistimina, joilla on suuri pinta-ala ja korkea sisäinen hyötysuhde.Alkuisessa VIP-asetuksessa CCD: t sijoitettiin puhtaan kuparin sylinterin ympärille säteilyä mitattiin ilman virtaa ja jopa 40 A: n virralla. LNGS-laboratorion kosminen tausta vaimennetaan voimakkaasti – kertoimella 106 päällekkäisen kiven ansiosta – ja laitetta ympäröi myös massiivinen lyijysuojaus.

Rajojen asettaminen

Neljän vuoden tiedonkeruun jälkeen VIP asetti uuden rajoituksen elektronien EP-rikkomukselle β2 / 2 < 4,7 × 10–29. Herkkyyden lisäämiseksi kokeilu päivitettiin VIP2: ksi, jossa piidiirtymäilmaisimet (SDD) korvaavat CCD: t röntgentunnistimina. VIP2-rakentaminen alkoi vuonna 2011, ja vuonna 2016 asennus asennettiin maanalaiseen LNGS-laboratorioon, jossa virheenkorjauksen ja testauksen jälkeen tiedonkeruu alkoi. SDD: t tarjoavat laajemman kiinteän kulman röntgentunnistukseen, ja tämä parannus yhdessä korkeamman virran ja aktiivisen suojauksen muovisintillaattoreilla taustan rajoittamiseksi johtaa huomattavasti parempaan herkkyyteen. SDD-levyjen ajoitusominaisuudet auttavat myös tukahduttamaan taustatapahtumia.

Kokeellinen ohjelman testaus elektronien EP: n mahdollisen rikkomisen suhteen edistyi suuresti vuonna 2017 ja oli jo parantanut VIP: n asettamaa ylärajaa ensimmäisessä kahden kuukauden käyttöaika. Suunnitellun kolmen vuoden keston ja vuorotellen mittauksen virralla tai ilman virtaa odotetaan kahden suuruusluokan parannusta edelliseen VIP-ylärajaan nähden. Jos signaalia ei ole, tämä asettaa EP: n rikkomuksille rajan β2 / 2 < 10–31.

Kokeilut, kuten VIP- ja VIP2-testi spin-tilastoyhteys tietylle fermionityypille: elektronit. Dolgov ja Smirnov keskustelivat teoreettisesti myös neutriinoja koskevista EP-rikkomuksista. Mitä tulee bosoneihin, mahdollisten tilastorikkomusten rajoitukset johtuvat korkean energia-fysiikan tutkimuksista, joissa vektori- (ts. Spin-one) -partikkeleiden hajoaminen tapahtuu kahdeksi fotoniksi. Tällaiset hajoamiset on kielletty Landau – Yang-lauseessa, jonka todisteisiin sisältyy oletus, että nämä kaksi fotonia on tuotettava permutaatio-symmetrisessä tilassa. Täydentävä lähestymistapa on soveltaa spektroskooppisia testejä, jotka tehtiin LENSissä Firenzessä 1990-luvulla ja jotka tutkivat 16O-ytimien permutaatio-ominaisuuksia polyatomimolekyyleissä etsimällä siirtymiä kahden ytimen vaihdon aikana antisymmetristen tilojen välillä. Jos ytimet ovat bosoneja, kuten tässä tapauksessa, tällaiset siirtymät, jos ne löytyvät, rikkovat spin-tilastosuhdetta. Korkean herkkyyden testit fotoneille tehtiin myös spektroskooppisilla menetelmillä. Esimerkiksi käyttämällä Bose – Einstein-tilastojen kieltämää kahden fotonin herätettä bariumissa, englantilaiset ja Berkeleyn työtoverit osoittivat, että kaksi fotonia on ”väärässä” permutaatio-symmetriatilassa vuonna 2010 vähemmän kuin 4 × 10–11 – yli kolmen suuruusluokan parannus aikaisempiin tuloksiin verrattuna.

Lopuksi toteamme, että EP: llä on monia liittyviä filosofisia kysymyksiä, kuten Pauli itse tiesi hyvin, ja näitä tutkitaan erillisessä projektissa, johon osallistuvat VIP-yhteistyökumppanit, ja John Templeton -säätiö tukee sitä.Yksi tällainen kysymys on ”identtisyyden” käsite, jolla ei näytä olevan analogia kvanttimekaniikan ulkopuolella, koska ei ole olemassa kahta pohjimmiltaan identtistä klassista esinettä.

Tämä kvanttihiukkasten lopullinen tasa-arvo johtaa kaiken tärkeään seuraukset, jotka säätelevät atomien ja molekyylien rakennetta ja dynamiikkaa, neutronitähtiä, mustakehon säteilyä ja määrittelevät elämämme kaikessa monimutkaisuudessa.Esimerkiksi ilman molekyylihappi on erittäin reaktiivinen, joten miksi keuhkomme eivät vain palaa? elektronipyöräytysten pariliitoksessa: tavalliset happimolekyylit ovat paramagneettisia parittamattomien elektronien kanssa, joilla on rinnakkaiskierrokset, ja hengityksessä tämä tarkoittaa, että elektroneja on siirrettävä peräkkäin. Tämä elektronien siirron peräkkäinen merkki johtuu EP: stä hapen kiinnittyminen hemoglobiiniin. Ajattele sitä seuraavalla hengityksellä!