手で石をしっかりと握ると、石が消えたり漏れたりすることはありません。私たちの肉と骨。私たちの経験では、石、より一般的には固形物は安定していて侵入できません。昨年は、物質の安定性がパウリの排他原理に由来するというフリーマンダイソンとアンドリューレナードによるデモの50周年を迎えました。ヴォルフガング・パウリが1945年のノーベル物理学賞を受賞したこの原理は、基礎物理学で非常に普及しているアイデアに基づいているため、その基盤が疑問視されることはめったにありません。ここでは、パウリの原理を祝い、反省し、それをテストするための最新の実験的取り組みを調査します。

2つのフェルミ粒子が同じ量子状態を占めることはできないという排除原理（EP）は、ほぼ1世紀にわたって私たちにありました。ノーベル賞の講演で、パウリはその発見と、新しく生まれた量子論の未解決の問題との関係について、深く幅広い説明を提供しました。 1920年代初頭、シュレディンガー方程式とハイゼンベルグの行列代数が登場する前に、若いパウリはEPと、彼が「古典的に記述できない2つの価値」と呼んだものの両方を仮定したときに並外れた偉業を成し遂げました。電子スピン–原子スペクトルの構造を説明するため。

その時、EPは抵抗に直面し、Pauli自身は彼が持っていた概念について疑っていました。やや無謀に導入されました。 1925年に電子スピンの概念が導入され、ランデの経験的アイデア、クロニグによる最初の提案、ゴーズミットとウーレンベックによる独立した論文から導き出されたパウリの2つの価値との同一性が明らかになった後、状況は大きく変化しました。電子の画像を、Kronig、Goudsmit、Uhlenbeckの両方の2方向を指すことができるスピンを持つ小さな古典的な球として導入することにより、水素原子の微細構造の分裂を計算することができましたが、それでも臨界を逃していました2の因数。これらの最初のステップに続いて、トーマスの相対論的計算、パウリのスピン計算、そして最後に1928年に、スピンの概念に対するすべての抵抗に終止符を打ったディラックのエレガントな波動方程式が続きました。

しかし、EPの理論的説明はしばらく待たなければなりませんでした。第二次世界大戦の直前に、PauliとMarkusFierzはこの目標に向けて大きな進歩があり、1940年にパウリが彼の独創的な論文「スピンと統計の関係」を発表しました。この論文は、（相対論的に不変の因果関係を仮定して）粒子のスピンが通勤関係、つまりフィールドが通勤するか反交換するか、したがって粒子が従う統計を決定することを示しました。スピン1/2フェルミ粒子のEPは、スピン統計の関係の結果として続き、スピンに基づいて粒子をフェルミ粒子とボソンに分割することは、現代物理学の基礎の1つです。

単純

EPは驚くほど簡単に述べることができ、多くの物理学者は相対性をスキップして、真に相対論的な概念であるスピンを仮定しているにもかかわらず、通常の量子力学のみを使用する直接的な証明を見つけようとしました。パウリ自身はこの原則に戸惑い、ノーベル賞の講演で次のように述べています。「すでに私の元の論文で、排除原理の論理的理由を説明したり、より一般的な仮定からそれを推測したりできない状況を強調しました。いつも感じています、そして私は今日でもこれが欠陥であるということを持っています。…新しい量子力学の成功の明るい光に、いくつかの不完全さの影がここに落ちたという印象は、私には避けられないように思えます。」ファインマンでさえ、通常は彼の不思議な直感で他の人よりも優れていましたが、EPの単純で直接的な正当化を思い付くことができないことに不満を感じていました：「それは物理学の数少ない場所の1つであり、非常に簡単に述べましたが、誰も簡単で簡単な説明を見つけられませんでした…これはおそらく、関連する基本原則を完全に理解していないことを意味します。今のところ、それをルールの1つとしてとらえる必要があります。

特に興味深い

スピン統計接続の新しい証明やグリーンによるいわゆるパラ統計の導入など、さらなる理論的研究の後、 EPの小さな違反の可能性は、1974年にReinesとSobelが1948年にGoldhaberとScharffによる実験を再分析したときに最初に検討されました。小さな違反の可能性は、1980年にAmadoとPrimakoffによって理論的に反駁されましたが、トピックは1987年に復活しました。 。その年、ロシアの理論家Lev Okunは、EP違反のモデルを発表しました。このモデルでは、通常の真空と1粒子状態に加えて、2粒子状態も含む修正フェルミ粒子状態を検討しました。オクンは、「現代の理論物理学においてパウリの原理が享受している特別な場所は、この原理がさらに徹底的な実験的試験を必要としないことを意味するのではない。逆に、そのような試験を行うのはパウリの原理の基本的な性質である。 、特に興味深い、周期表全体にわたって。」

しかし、オクンのモデルは、合理的なハミルトニアンを構築しようとしたときに困難に直面しました。第二に、オクンはモデルの相対論的一般化の構築に成功しなかったためです。それにもかかわらず、彼の論文は原子の実験的テストを強く奨励しました。同じ年（1987年）に、イグナティエフとクズミンはオクンのモデルの拡張を厳密に非相対的「ベータパラメータ」によって特徴づけられたシティックコンテキスト|β| < < 1。相対論的因子v / cと混同しないでください。βは、生成演算子のアクションを説明するパラメーターです。 1粒子状態。トイモデルを使用してEPに違反する遷移を説明し、IgnatievとKuzminは、異常な2電子対称状態の遷移確率はβ2/ 2に比例すると推定しました。これは、EP違反の確率を表すためにまだ広く使用されています。

この非相対論的アプローチは、AB Govorkovによって批判されました。彼は、イグナティエフとクズミンの素朴なモデルを拡張して、本格的な場の量子論にすることはできないと主張しました。しかし、因果関係はパウリのスピン統計定理の証明における重要な要素であるため、ゴボルコフの異議は回避される可能性があります。1987年後半、メリーランド大学のオスカーグリーンバーグとラビンドラモハパトラは、継続的に変形した交換関係を伴う場の量子論を導入しました。因果関係の違反に。変形パラメータは文字qで表され、理論は「クオン」と呼ばれる新しい仮想粒子を記述することになっています。しかし、ゴボルコフは、この巧妙な手でさえ、場の量子論をEPの小さな違反にだますことができないことを示すことができました。 、反粒子の単なる存在-これも場の量子論の真の相対論的特徴-は小さな違反を除外するのに十分であったことを示しています。持ち帰りのメッセージは、局所性の違反はEPを破るのに十分ではないということでした。

粒子の固有スピンとそれらが従う統計との関係は、場の量子論の中心であり、したがってテストする必要があります。 EPの違反は革命的です。たとえば、CPTの違反、地域性の違反、ローレンツ不変性のいずれかに関連している可能性があります。ただし、EPがどれほど堅牢であり、現在の場の量子論内で違反をフレーム化することがどれほど難しいかを見てきました。アマドとプリマコフが1980年に指摘したように、実験はそれほど困難に直面しておらず、この現代物理学の信条を真にテストするための実験オプションはほとんどありません。

実験が直面する困難の1つは素粒子の同一性は、ハミルトニアンが粒子交換に関して不変でなければならず、その結果、複数の同一粒子の所与の状態の対称性を変えることができないことを意味します。多粒子系の混合対称性の場合でさえ、異なる対称性の状態への遷移を誘発する物理的な方法はありません。これがメサイア-グリーンバーグ超選択規則の本質であり、物理システムが開いている場合にのみ破ることができます。

規則を破る

この破ることに沿った最初の専用実験Messiah-Greenberg超選択規則の計算は、1990年にRambergとSnowによって実行されました。彼は、システムに電子を導入した後、銅のPauli禁止X線遷移を検索しました。銅導体に電流を注入する電源は、導体内の原子にとって新しい電子源として機能するという考え方です。これらの電子が「間違った」対称性を持っている場合、それらはすでに占有されている銅原子の1Sレベルに放射的に捕捉され、電磁放射を放出します。結果として生じるX線は、異常な電子構成の影響を受け、より低いエネルギーに向かってわずかにシフトします。銅の特徴的なX線に。

RambergとSnowは違反を検出しませんでしたが、Β2/ 2 < 1.7×10–26。彼らのコンセプトに従って、2006年にイタリアのグランサッソにあるLNGS地下研究所にVIP（パウリ原理違反）と呼ばれる大幅に改良されたバージョンの実験が設定されました。VIPは大幅に改良されました電荷結合デバイス（CCD）を大面積で高い固有効率を備えた高解像度X線検出器として使用することによるRamberg and Snow実験で。元のVIPセットアップでは、CCDは純粋な銅シリンダーの周りに配置されていました。X-シリンダーから放出される光線最大40Aの電流がある場合とない場合で測定されました。LNGS実験室の宇宙背景放射は、上にある岩のおかげで106倍に強く抑制され、装置も大規模な鉛シールドに囲まれていました。

制限の設定

4年間のデータ取得後、VIPは電子のEP違反にβ2/ 2 < 4.7×10–29で新しい制限を設定しました。感度をさらに高めるために、実験はVIP2にアップグレードされ、シリコンドリフト検出器（SDD）がX線検出器としてCCDに取って代わりました。 VIP2の建設は2011年に開始され、2016年にセットアップが地下のLNGSラボに設置され、デバッグとテストの後、データの取得が開始されました。 SDDは、X線検出のためのより広い立体角を提供し、この改善は、バックグラウンドを制限するためのプラスチックシンチレータによるより高い電流とアクティブシールドとともに、はるかに優れた感度につながります。 SDDのタイミング機能は、バックグラウンドイベントの抑制にも役立ちます。

電子のEP違反の可能性をテストする実験プログラムは、2017年に大きな進歩を遂げ、最初にVIPによって設定された上限をすでに改善しました。 2か月の実行時間。計画期間が3年で、電流がある場合とない場合の交流測定では、以前のVIP上限に対して2桁の改善が見込まれます。信号がない場合、これにより、EP違反の制限がβ2/ 2 < 10–31に設定されます。

VIPやVIP2テストなどの実験ある特定の種類のフェルミ粒子、つまり電子のスピン統計接続。ニュートリノのEP違反のケースも、ドルゴフとスミルノフによって理論的に議論されました。ボソンに関しては、統計違反の可能性に対する制約は、ベクトル（つまりスピン1）粒子の2つの光子への崩壊に対する高エネルギー物理学の検索から生じます。このような崩壊は、ランダウヤン定理によって禁止されています。この定理には、2つの光子が順列対称状態で生成される必要があるという仮定が組み込まれています。補完的なアプローチは、1990年代にフィレンツェのLENSで実施された分光テストを適用することです。これは、2つの核の交換の下で反対称である状態間の遷移を検索することにより、多原子分子の16O核の順列特性を調べます。この場合のように、原子核がボソンである場合、そのような遷移が見つかった場合、スピン統計関係に違反します。光子の高感度試験も分光法で行った。例として、バリウムでのボース-アインシュタイン統計で禁止された2光子励起を使用すると、2つの光子が「間違った」順列対称状態になる確率が2010年にバークレーの英語と同僚によって示されました。 4×10–11よりも–以前の結果と比較して3桁以上の改善。

結論として、パウリ自身がよく知っていたように、EPには多くの関連する哲学的問題があることに注意してください。これらは、VIPの協力者が関与する専用プロジェクト内で研究されており、ジョンテンプルトン財団によってサポートされています。そのような問題の1つは、「同一性」の概念です。これは、2つの基本的に同一の古典的オブジェクトがないため、量子力学の外部では類似していないようです。

この量子粒子の究極の同等性は、非常に重要です。 原子や分子、中性子星、黒体放射の構造とダイナミクスを支配し、そのすべての複雑さの中で私たちの生活を決定する結果。たとえば、空気中の分子酸素は非常に反応性が高いのに、なぜ私たちの肺はただ燃えるだけではないのですか？理由はありますか？ 電子スピンのペアリング：通常の酸素分子は、平行スピンを持つペアリングされていない電子と常磁性であり、呼吸では、これは電子が次々に転送される必要があることを意味します。電子転送に対するこの連続した特性は、EPによるものであり、緩和します。 ヘモグロビンへの酸素の付着率。次に呼吸するときに考えてみてください！