Ha szorosan megragadunk egy követ a kezünkben, akkor nem is számítunk arra, hogy eltűnik, vagy nem szivárog át húsunk és csontjaink. Tapasztalataink szerint a kő és általában a szilárd anyag stabil és áthatolhatatlan. Tavaly ünnepelte 50. évfordulóját annak a demonstrációnak, amelyet Freeman Dyson és Andrew Lenard tett, hogy az anyag stabilitása a Pauli kirekesztés elvéből fakad. Ez az elv, amelyért Wolfgang Pauli megkapta az 1945-ös fizikai Nobel-díjat, olyan alapgondolatokon alapszik, amelyek annyira elterjedtek az alapfizikában, hogy azok alapjait ritkán kérdőjelezik meg. Itt ünnepeljük és reflektálunk a Pauli-elvre, és felmérjük a legújabb kísérleti erőfeszítéseket annak kipróbálására.

A kizárás elve (EP), amely kimondja, hogy két fermion nem foglalhatja el ugyanazt a kvantumállapotot, csaknem egy évszázada van velünk. Nobel-előadásában Pauli mély és széles körű beszámolót adott felfedezéséről és az újonnan született kvantumelmélet megoldatlan problémáival való összefüggéseiről. Az 1920-as évek elején, mielőtt Schrödinger egyenlete és Heisenberg mátrix algebrája megjelent volna, egy fiatal Pauli rendkívüli bravúrral járt, amikor postulálta mind az EP-t, mind az úgynevezett “klasszikusan leírhatatlan kétértékűséget” – korai utalás a elektronpörgés – az atomspektrumok szerkezetének magyarázata.

Akkoriban az EP némi ellenállásba ütközött, maga Pauli pedig kétséges volt a fogalmaival kapcsolatban. kissé vakmerően bevezetett. A helyzet jelentősen megváltozott, miután 1925-ben bevezették az elektron-spin koncepciót és azonosították Pauli kétértékűségével, amely Lande empirikus elképzeléseiből, Kronig kezdeti javaslatából, valamint Goudsmit és Uhlenbeck független írásából származott. Az elektron mint kis klasszikus gömb képének bevezetésével, amelynek spinje csak két irányba mutathat, mind Kronig, mind Goudsmit és Uhlenbeck képesek voltak kiszámolni az atomhidrogén finomszerkezetű felosztását, bár még mindig hiányzott egy kritikus tényező kettő. Ezeket az első lépéseket követték Thomas relativisztikus számításai, Pauli spin-számítása, végül 1928-ban a Dirac elegáns hullámegyenlete, amely véget vetett a spin fogalmával szembeni minden ellenállásnak.

Az EP elméleti magyarázatára azonban várni kellett egy ideig. Közvetlenül a második világháború előtt Pauli és Markus Fierz jelentős előrelépés e cél felé, majd Pauli 1940-ben megjelent „A spin és a statisztika közötti kapcsolat” című alapvető cikkét. Ez a tanulmány megmutatta, hogy (feltételezve az oksági viszony relativisztikusan invariáns formáját) a részecske pörgése meghatározza a kommutációs viszonyokat, vagyis hogy a mezők ingáznak-e, vagy ingázásgátlóak-e, és ezért a részecskék engedelmeskedő statisztikák. A spin-1/2 fermionokra vonatkozó EP a spin-statisztika kapcsolat következményeként következik, és a részecskék fermionokra és bozonokra való felosztása a pörgésük alapján a modern fizika egyik sarokköve.

Beguilingly egyszerű

Az EP kinyilatkoztatása egyszerű, és sok fizikus megpróbálta kihagyni a relativitást és olyan közvetlen bizonyítékokat találni, amelyek csak a közönséges kvantummechanikát alkalmazzák – bár feltételezzük a spin-et, ami valóban relativisztikus fogalom. Maga Pauli is értetlenül állt az alapelv mellett, és Nobel-előadásában megjegyezte: “Már az eredeti írásomban hangsúlyoztam azt a körülményt, hogy képtelen voltam logikus okot adni a kizárás elvére, vagy levezetni általánosabb feltételezésekből. mindig az az érzés és van még ma is, hogy ez hiány.… Megkerülhetetlennek tűnik számomra az a benyomás, hogy valamilyen hiányosság árnyéka került az új kvantummechanika sikerének fényére. ” Még Feynman is – aki általában túllicitál másokat furcsa megérzésével – csalódottnak érezte magát, mert képtelen az EP egyszerű, egyértelmű indoklásával előállni: “Úgy tűnik, a fizika azon kevés helyei közé tartozik, ahol létezik olyan szabály, amely nagyon egyszerűen megfogalmazta, de amire senki sem talált egyszerű és könnyű magyarázatot … Ez valószínűleg azt jelenti, hogy nincs teljes körű megértésünk a benne rejlő alapelvről. Jelenleg csak a szabályok egyikeként kell ezt figyelembe vennie. világszerte. ”

Különösen érdekes

További elméleti tanulmányok után, amelyek a spin-statisztikai kapcsolat új bizonyítékait és az úgynevezett para-statisztikák Green bevezetését tartalmazzák, Reines és Sobel először 1974-ben mérlegelték az EP esetleges kis megsértését, amikor 1948-ban újraértékelték Goldhaber és Scharff kísérletét. Amado és Primakoff 1980-ban elméletileg cáfolta az apró jogsértések lehetőségét, de a témát 1987-ben felelevenítették. . Abban az évben Lev Okun orosz teoretikus bemutatta az EP megsértésének modelljét, amelyben módosított fermionos állapotokat vett fontolóra, amelyek a szokásos vákuum és egy részecske állapot mellett két részecske állapotot is tartalmaznak. Okun azt írta, hogy “A Pauli-elvnek a modern elméleti fizikában betöltött különleges helye nem jelenti azt, hogy ez az elv nem igényel további és kimerítő kísérleti teszteket. Éppen ellenkezőleg, kifejezetten a Pauli-elv alapvető természete az, ami ilyen teszteket végezne , az egész periódusos rendszerben, külön érdekesség. ”

Okun modellje azonban nehézségekbe ütközött, amikor megpróbált egy ésszerű hamiltonit konstruálni, elsősorban azért, mert a hamiltoniak nem helyhez kötöttek másodszor, mert Okunnak nem sikerült felépítenie a modell relativisztikus általánosítását. Ennek ellenére tanulmánya erőteljesen ösztönözte az atomok kísérleti tesztelését. Ugyanebben az évben (1987) Ignatiev és Kuzmin bemutatták Okun modelljének kiterjesztését egy szigorúan nem relativi szitikus kontextus, amelyet “béta paraméter” | β | jellemzett < < 1. Nem szabad összetéveszteni a v / c relativisztikus faktorral, a β egy paraméter, amely leírja a létrehozási operátor az egyrészecskés állapot. Az EP-t sértő átmenetek illusztrálására játékmodell segítségével Ignatiev és Kuzmin arra a következtetésre jutottak, hogy egy anomális kételektronikus szimmetrikus állapot átmenetének valószínűsége arányos a β2 / 2-vel, amelyet még mindig széles körben használnak az EP-sértések valószínűségének képviseletére.

Ezt a nem relativisztikus megközelítést bírálta AB Govorkov, aki azzal érvelt, hogy Ignatiev és Kuzmin naiv modellje nem terjeszthető ki teljes értékű kvantumtérelméletté. Mivel az okság fontos alkotóeleme Pauli spin-statisztikai kapcsolatának bizonyításában, Govorkov kifogásai azonban megkerülhetők: később 1987-ben Oscar Greenberg és Rabindra Mohapatra a Marylandi Egyetemen bevezetett egy kvantumtérelméletet, folyamatosan deformált kommutációs kapcsolatokkal, amelyek az okozati viszony megsértésére. A deformációs paramétert q betűvel jelölték, és az elméletnek új hipotetikus részecskéket kellett volna leírnia, amelyeket “quonnak” neveztek. Govorkov azonban képes volt megmutatni, hogy még ez a kéznyomás sem tudta a kvantumtér elméletet becsapni az EP kis megsértéseibe , demonstrálva, hogy az antirészecskék puszta létezése – ez is a kvantumtér-elmélet valódi relativisztikus jellemzője – elegendő az apró jogsértések kizárásához. A hazavezetés üzenete az volt, hogy a helyiség megsértése nem elég az EP megtöréséhez, még “csak kevés ”.

A részecskék belső spinje és az általuk betartott statisztikák közötti kapcsolat a kvantumtérelmélet középpontjában áll, ezért tesztelni kell. Az EP megsértése forradalmi lenne. Lehet, hogy összefüggésben áll például a CPT megsértésével, vagy például a helység megsértésével vagy a Lorentz-invarianciával. Láttuk azonban, hogy az EP mennyire robusztus és mennyire nehéz szabálysértést kialakítani a jelenlegi kvantumtérelméletben. A kísérleteknek nem kisebb nehézségekkel kell szembenézniük, amint azt Amado és Primakoff már 1980-ban megjegyezte, és nagyon kevés olyan kísérleti lehetőség kínálkozik, amelyekkel valóban tesztelni lehet a modern fizika ezen alapelveit.

A kísérletek egyik nehézsége hogy az elemi részecskék azonossága azt jelenti, hogy a hamiltoniaknak invariánsaknak kell lenniük a részecskék cseréje tekintetében, és ennek következtében nem változtathatják meg több azonos részecske adott állapotának szimmetriáját.Még egy sokrészes rendszer vegyes szimmetriája esetén sem lehet fizikai módot létrehozni az átmenetre egy másik szimmetrikus állapotba. Ez a Messiás – Greenberg szuperszelekciós szabály lényege, amelyet csak akkor lehet megtörni, ha egy fizikai rendszer nyitott.

A szabályok megszegése

Az első dedikált kísérlet ennek a törésnek megfelelően a Messiás – Greenberg szuperszelekciós szabályt 1990-ben Ramberg és Snow hajtotta végre, akik Pauli-tiltott réz röntgenátmenetek után kutattak, miután elektronokat vezettek be a rendszerbe. Az elképzelés az, hogy egy tápegység, amely elektromos áramot vezet be egy rézvezetékbe, elektronforrásként működik, amelyek újak a vezető atomjaiban. Ha ezek az elektronok “rossz” szimmetriával rendelkeznek, sugárzóan befoghatók a rézatomok már elfoglalt 1S szintjébe, és elektromágneses sugárzást bocsátanak ki. A keletkező röntgensugarakat a szokatlan elektronkonfiguráció befolyásolja, és kissé elmozdulnak az alacsonyabb energiák irányába. a jellegzetes réz röntgensugarakra.

Ramberg és Snow nem észleltek semmilyen szabálysértést, de felső határt tudtak szabni az Β2 / 2 < 1,7 × 10–26. Az elképzelésüket követve 2006-ban az olaszországi Gran Sasso-i LNGS földalatti laboratóriumban VIP (a Pauli-elv megsértése) nevű kísérlet sokkal továbbfejlesztett változatát hozták létre. Ramberg- és Snow-kísérlet során nagy felbontású röntgen detektorokként, nagy területű és nagy belső hatékonyságú töltéscsatolt eszközök (CCD) alkalmazásával. Az eredeti VIP beállításban a CCD-ket tiszta réz henger köré helyezték; a hengerből kibocsátott sugarak A mérést 40 A áram nélkül és áram nélkül mértük. Az LNGS laboratórium kozmikus hátterét erőteljesen elnyomja – a fedő kőzetnek köszönhetően 106-szorosával -, és a készüléket is hatalmas ólomvédelem vette körül.

Korlátok beállítása

Négy éves adatgyűjtés után a VIP új korlátot állított be az EP-szabálysértésre az elektronokra vonatkozóan β2 / 2 < 4,7 × 10–29. Az érzékenység további fokozása érdekében a kísérletet VIP2-re fejlesztették, ahol a szilícium-sodródetektorok (SDD) röntgensugár-detektorként helyettesítik a CCD-ket. A VIP2 építése 2011-ben kezdődött, 2016-ban pedig a földalatti LNGS laboratóriumba telepítették a telepítést, ahol a hibakeresés és tesztelés után megkezdődött az adatgyűjtés. Az SDD-k szélesebb szilárd szöget biztosítanak a röntgensugárzás detektálásához, és ez a javulás, valamint a nagyobb áram és aktív árnyékolás műanyag szcintillátorokkal a háttér korlátozása érdekében sokkal jobb érzékenységhez vezet. Az SDD-k időzítési képessége segít a háttéresemények elnyomásában is.

A kísérleti program tesztelése az elektron esetleges EP-megsértése miatt nagy előrehaladást ért el 2017-ben, és az elsőben már javította a VIP által meghatározott felső határt. két hónap futási idő. A tervezett hároméves időtartam és az árammal vagy anélkül váltakozó mérés esetén két nagyságrendű javulás várható az előző VIP felső határhoz képest. Jel hiányában ez korlátozza az EP megsértését a β2 / 2 < 10–31.

Olyan kísérletek, mint a VIP és a VIP2 teszt a spin-statisztika kapcsolat egy bizonyos fermion-típushoz: elektronok. Az EP neutrínókkal szembeni megsértésének esetét Dolgov és Smirnov elméletileg is tárgyalta. Ami a bozonokat illeti, a statisztikák lehetséges megsértésének korlátozásai abból adódnak, hogy a nagyenergia-fizika a vektor (azaz az egy spin) részecskék két fotonra történő bomlását kutatja. Az ilyen bomlásokat tiltja a Landau – Yang tétel, amelynek bizonyítása magában foglalja azt a feltételezést, hogy a két fotont permutáció-szimmetrikus állapotban kell előállítani. Kiegészítő megközelítésként a firenzei LENS-ben az 1990-es években elvégzett spektroszkópos vizsgálatokat alkalmazzák, amelyek a 16O mag permutációs tulajdonságait vizsgálják a poliatomi molekulákban azáltal, hogy olyan átmeneteket keresnek, amelyek két mag cseréje során antiszimmetrikusak. Ha a magok bozonok, mint ebben az esetben, akkor az ilyen átmenetek, ha megtalálhatók, megsértik a spin-statisztika összefüggést. Nagy érzékenységű vizsgálatokat végeztek fotonokra spektroszkópos módszerekkel is. Például Bose – Einstein-statisztikákkal tiltott kétfoton gerjesztést használva a báriumban, annak valószínűségét, hogy két foton „rossz” permutációs-szimmetrikus állapotban van, angol és munkatársai Berkeley-ben 2010-ben kisebbnek mutatták. mint 4 × 10–11 – háromnál nagyobb nagyságrendű javulás a korábbi eredményekhez képest.

Befejezésül megjegyezzük, hogy az EP-nek számos kapcsolódó filozófiai kérdése van, amiről maga Pauli is tisztában volt, és ezeket egy VIP-munkatársakat bevonó, dedikált projekt keretében tanulmányozzák, és a John Templeton Alapítvány támogatja.Ilyen kérdés az “azonosság” fogalma, amelynek, úgy tűnik, nincs analógja a kvantummechanikán kívül, mivel nincs két alapvetően azonos klasszikus objektum.

A kvantumrészecskék végső egyenlősége minden fontoshoz vezet az atomok és molekulák, a neutroncsillagok, a feketetest-sugárzás szerkezetét és dinamikáját befolyásoló következmények, amelyek meghatározzák életünket annak minden bonyolultságában. Például a levegőben lévő molekuláris oxigén rendkívül reaktív, miért nem csak azért ég a tüdőnk? az elektron pörgések párosításakor: a közönséges oxigénmolekulák paramágnesesek a párosítatlan elektronokkal, amelyeknek párhuzamos pörgésük van, és a légzésben ez azt jelenti, hogy az elektronokat egymás után kell átvinni. az oxigén hemoglobinhoz való kötődésének mértéke. Gondoljon erre a következő lélegzetvételkor!