손에있는 돌을 단단히 잡으면 사라지거나 새지 않을 것으로 예상하지 않습니다. 우리의 살과 뼈. 우리의 경험은 돌과 더 일반적으로 고체 물질이 안정적이고 뚫을 수 없다는 것입니다. 작년에 Freeman Dyson과 Andrew Lenard가 물질의 안정성이 Pauli 배제 원칙에서 비롯된다는 시연 50 주년을 맞이했습니다. 볼프강 파울리가 1945 년 노벨 물리학상을받은이 원리는 기초 물리학에서 널리 퍼져있는 아이디어에 기반을두고있어 그 토대에 대해 거의 의문을 제기하지 않습니다. 여기에서 우리는 Pauli 원칙을 축하하고 반성하며이를 테스트하기위한 최신 실험적 노력을 조사합니다.

두 개의 페르미온이 동일한 양자 상태를 차지할 수 없다는 배제 원리 (EP)는 거의 한 세기 동안 우리와 함께 해왔습니다. 그의 노벨 강의에서 Pauli는 그 발견과 새로 태어난 양자 이론의 해결되지 않은 문제와의 연관성에 대한 깊고 광범위한 설명을 제공했습니다. 1920 년대 초, Schrödinger의 방정식과 Heisenberg의 행렬 대수학이 등장하기 전에 젊은 Pauli는 EP와 그가 “고전적으로 설명 할 수없는 2 가치성”이라고 불렀던 것을 가정했을 때 놀라운 업적을 수행했습니다. 전자 스핀 – 원자 스펙트럼의 구조를 설명합니다.

그 당시 EP는 약간의 저항을 받았으며 Pauli 자신은 자신이 가진 개념에 대해 모호했습니다. 다소 무모하게 소개되었습니다. 1925 년에 전자 스핀 개념이 도입되고, Lande의 경험적 아이디어, Kronig의 초기 제안 및 Goudsmit 및 Uhlenbeck의 독립 논문에서 파생 된 Pauli의 두 가지 가치와 동일시 이후 상황은 크게 바뀌 었습니다. Kronig, Goudsmit 및 Uhlenbeck은 두 방향 만 가리키는 스핀을 가진 작은 고전적인 구체로 전자의 그림을 도입함으로써 원자 수소의 미세 구조 분할을 계산할 수있었습니다. 2의 요소. 이 첫 번째 단계는 Thomas의 상대 론적 계산, Pauli의 스핀 미적분, 그리고 마지막으로 1928 년에 Dirac의 우아한 파동 방정식으로 스핀 개념에 대한 모든 저항을 종식 시켰습니다.

그러나 EP에 대한 이론적 설명은 잠시 기다려야했습니다. 2 차 세계 대전 직전에 Pauli와 Markus Fierz는 이 목표를 향한 상당한 진전이 있었으며 1940 년 Pauli가 그의 주요 논문 “스핀과 통계 간의 연결”을 출판했습니다. 이 논문은 (상대 론적으로 변하지 않는 인과 관계를 가정 할 때) 입자의 스핀이 정류 관계, 즉 필드가 통근하는지 반 통근하는지 여부를 결정하므로 입자가 따르는 통계를 보여줍니다. 스핀 -1/2 페르미온의 EP는 스핀-통계 연결의 추론으로 이어지며, 스핀을 기반으로 입자를 페르미온과 보손으로 나누는 것은 현대 물리학의 초석 중 하나입니다.

단순

EP는 매우 간단하게 표현할 수 있으며, 많은 물리학 자들은 상대성 이론을 건너 뛰고 일반적인 양자 역학만을 사용하는 직접적인 증거를 찾으려고 노력했습니다. 비록 스핀이 진정 상대 론적 개념이라고 가정하더라도 말입니다. Pauli 자신은 그 원리에 의아해했고, 그의 노벨 강의에서 그는 다음과 같이 언급했습니다. “이미 나의 원본 논문에서 나는 배제 원리에 대한 논리적 이유를 제공 할 수 없거나 더 일반적인 가정에서 추론 할 수 없다는 상황을 강조했습니다. 항상 느낌이 있고 나는 이것이 결핍이라는 느낌을 오늘도 가지고 있습니다.… 새로운 양자 역학의 성공이라는 밝은 빛에 불완전 함의 그림자가 여기에 떨어 졌다는 인상은 필연적으로 피할 수없는 것 같습니다.” 보통 자신의 기이 한 직관으로 다른 사람을 능가하는 파인만조차도 EP의 단순하고 직접적인 정당화를 제시하지 못해 좌절감을 느꼈습니다. “물리학에서 규칙이있을 수있는 몇 안되는 곳 중 하나 인 것 같습니다. 매우 간단하게 설명했지만 아무도 간단하고 쉬운 설명을 찾지 못했습니다… 이것은 아마도 관련된 기본 원리를 완전히 이해하지 못했음을 의미 할 것입니다. 당분간은이를 규칙 중 하나로 받아 들여야합니다. 세계의.”

특별한 관심

스핀 통계 연결에 대한 새로운 증거와 Green의 소위 para-statistics의 도입을 포함한 추가 이론적 연구 끝에, 1948 년 Goldhaber와 Scharff의 실험을 재분석했을 때 1974 년 Reines와 Sobel이 EP의 작은 위반 가능성을 처음 고려했습니다. 소규모 위반의 가능성은 1980 년 Amado와 Primakoff에 의해 이론적으로 반박되었지만 주제는 1987 년에 부활했습니다. . 그해 러시아 이론가 Lev Okun은 일반적인 진공 및 1 입자 상태 외에도 2 입자 상태를 포함하는 수정 된 fermionic 상태를 고려한 EP 위반 모델을 제시했습니다. Okun은 “현대 이론 물리학에서 Pauli 원리가 누리는 특별한 위치는이 원리가 더 이상 철저한 실험 테스트를 필요로하지 않는다는 것을 의미하지 않습니다. 반대로 이러한 테스트를 만드는 것은 Pauli 원리의 근본적인 특성입니다. , 전체 주기율표에 대해 특별히 관심이 있습니다.”

그러나 Okun의 모델은 합리적인 Hamiltonian을 구성하려고 시도 할 때 어려움을 겪었습니다. 둘째, Okun이 모델의 상대 론적 일반화를 구성하는 데 성공하지 못했기 때문에 그의 논문은 원자에 대한 실험 테스트를 강력하게 장려했습니다. 같은 해 (1987)에 Ignatiev와 Kuzmin은 Okun 모델의 확장을 a 엄격하지 않은 “베타 매개 변수”가 특징 인 상황 적 문맥 | β | < < 1. 상대 론적 요인 v / c와 혼동하지 마십시오. β는 생성 연산자의 동작을 설명하는 매개 변수입니다. 단일 입자 상태. 장난감 모델을 사용하여 EP를 위반하는 전이를 설명하기 위해 Ignatiev와 Kuzmin은 비정상적인 2 전자 대칭 상태에 대한 전이 확률이 EP 위반 확률을 나타내는 데 여전히 널리 사용되는 β2 / 2에 비례한다고 추론했습니다.

이 비 상대 주의적 접근은 Ignatiev와 Kuzmin의 순진한 모델이 완전한 양자 장 이론으로 확장 될 수 없다고 주장한 AB Govorkov에 의해 비판되었습니다. 그러나 인과 관계가 스핀-통계 연결에 대한 Pauli의 증거에서 중요한 요소이기 때문에 Govorkov의 반대는 우회 할 수 있습니다. 인과 관계를 위반합니다. 변형 매개 변수는 문자 q로 표시되고 이론은 “quons”라고하는 새로운 가상 입자를 설명하도록되어있었습니다. 그러나 Govorkov는 이러한 손재주조차도 양자 장 이론을 EP의 작은 위반으로 속일 수 없다는 것을 보여줄 수있었습니다. , 양자 장 이론의 진정한 상대 주의적 특징 인 반입자의 단순한 존재만으로도 작은 위반을 배제 할 수 있음을 입증했습니다. 집에 가져가는 메시지는 지역성의 위반이 EP를 깨기에는 충분하지 않다는 것이 었습니다. little”.

입자의 고유 스핀과 그들이 따르는 통계 사이의 연결은 양자 장 이론의 핵심이므로 테스트해야합니다. EP 위반은 혁명적입니다. 예를 들어 CPT 위반, 지역성 위반 또는 Lorentz 불변성과 관련 될 수 있습니다. 그러나 우리는 EP가 얼마나 견고하고 현재 양자 장 이론 내에서 위반을 프레임 화하는 것이 얼마나 어려운지 보았습니다. Amado와 Primakoff가 1980 년에 언급했듯이 실험은 그다지 어렵지 않습니다. 현대 물리학의이 신조를 진정으로 테스트 할 수있는 실험 옵션은 거의 없습니다.

실험이 직면 한 어려움 중 하나는 다음과 같습니다. 기본 입자의 동일성은 Hamiltonians는 입자 교환과 관련하여 불변해야 함을 의미하며 결과적으로 여러 동일한 입자의 주어진 상태의 대칭을 변경할 수 없습니다.다중 입자 시스템의 혼합 대칭의 경우에도 다른 대칭 상태로 전환을 유도하는 물리적 방법은 없습니다. 이것이 메시아-그린버그 초 선택 규칙의 핵심이며, 물리적 시스템이 열려있을 때만 깨질 수 있습니다.

규칙 위반

이 중단에 따른 첫 번째 전용 실험 Messiah-Greenberg superselection 규칙의 of the Messiah-Greenberg superselection rule은 1990 년 Ramberg와 Snow에 의해 수행되었습니다. Ramberg와 Snow는 전자를 시스템에 도입 한 후 구리에서 Pauli가 금지 한 X 선 전이를 검색했습니다. 아이디어는 구리 도체에 전류를 주입하는 전원 공급 장치가 도체의 원자에 새로운 전자 소스 역할을한다는 것입니다. 이러한 전자가 “잘못된”대칭을 갖는 경우 이미 점유 된 1S 수준의 구리 원자로 복사되어 전자기 복사를 방출 할 수 있습니다. 결과 X 선은 비정상적인 전자 구성의 영향을 받아 상대적으로 낮은 에너지로 약간 이동합니다. 구리의 특징적인 X 선에.

Ramberg와 Snow는 위반을 감지하지 못했지만 위반 확률 Β2 / 2에 상한선을 설정할 수있었습니다. < 1.7 × 10–26. 개념에 따라 VIP (Pauli 원칙 위반)라고하는 훨씬 개선 된 버전의 실험이 2006 년 이탈리아 Gran Sasso의 LNGS 지하 연구소에 설치되었습니다. VIP가 크게 향상되었습니다. Ramberg and Snow 실험에서 CCD (charge-coupled device)를 넓은 면적과 높은 고유 효율을 가진 고해상도 X 선 검출기로 사용했습니다. 원래 VIP 설정에서 CCD는 순수 구리 실린더 주위에 배치되었습니다. X- 실린더에서 방출되는 광선 최대 40A의 전류없이 측정되었습니다. LNGS 실험실의 우주 배경은 위에 놓인 암석 덕분에 106 배까지 강력하게 억제되며 장치는 또한 막대한 납 차폐로 둘러싸여 있습니다.

제한 설정

4 년간의 데이터 수집 후 VIP는 전자에 대한 EP 위반에 대한 새로운 제한을 β2 / 2 < 4.7 × 10–29로 설정했습니다. 감도를 더욱 향상시키기 위해 실험은 실리콘 드리프트 검출기 (SDD)가 X 선 검출기로 CCD를 대체하는 VIP2로 업그레이드되었습니다. VIP2 건설은 2011 년에 시작되었고 2016 년에는 지하 LNGS 실험실에 설치가 설치되어 디버깅 및 테스트 후 데이터 수집이 시작되었습니다. SDD는 X 선 감지를위한 더 넓은 입체각을 제공하며, 이러한 개선과 함께 더 높은 전류 및 배경을 제한하는 플라스틱 신틸 레이터를 사용한 능동 차폐와 함께 훨씬 더 나은 감도를 제공합니다. SDD의 타이밍 기능은 또한 백그라운드 이벤트를 억제하는 데 도움이됩니다.

전자에 대한 EP 위반 가능성에 대한 실험 프로그램 테스트는 2017 년에 큰 진전을 이루 었으며 이미 첫 번째 VIP가 설정 한 상한선을 개선했습니다. 2 개월의 실행 시간. 3 년의 계획된 기간과 전류 유무에 관계없이 교대로 측정하면 이전 VIP 상한과 관련하여 2 차 증가가 예상됩니다. 신호가없는 경우 EP 위반 제한을 β2 / 2 < 10–31로 설정합니다.

VIP 및 VIP2 테스트와 같은 실험 특정 종류의 페르미온 인 전자에 대한 스핀-통계 연결. 중성미자에 대한 EP 위반 사례도 이론적으로 Dolgov와 Smirnov에 의해 논의되었습니다. boson의 경우 가능한 통계 위반에 대한 제약은 벡터 (즉, 스핀 1) 입자가 2 개의 광자로 붕괴되는 고 에너지 물리학 검색에서 비롯됩니다. 그러한 붕괴는 두 광자가 순열 대칭 상태에서 생성되어야한다는 가정을 포함하는 Landau-Yang 정리에 의해 금지됩니다. 보완적인 접근 방식은 1990 년대 피렌체의 LENS에서 수행 된 분광 테스트를 적용하는 것입니다.이 테스트는 두 핵의 교환 하에서 비대칭 인 상태 간의 전이를 검색하여 다 원자 분자에서 16O 핵의 순열 특성을 조사합니다. 이 경우와 같이 핵이 boson 인 경우 이러한 전환이 발견되면 스핀 통계 관계를 위반합니다. 광자에 대한 고감도 테스트도 분광법으로 수행되었습니다. 예를 들어, Bose-Einstein-statistics-forbidden two-photon excitation in barium을 사용하면 두 개의 광자가 “잘못된”순열 대칭 상태에있을 확률이 2010 년 버클리의 영어와 동료들에 의해 더 낮게 나타났습니다. 4 × 10–11보다 – 이전 결과에 비해 3 배 이상 향상되었습니다.

결론을 위해, 우리는 Pauli 자신이 잘 알고있는 것처럼 EP에 많은 관련 철학적 문제가 있음을 알 수 있습니다. 그리고 이들은 VIP 공동 작업자가 참여하는 전담 프로젝트에서 연구되고 있으며 John Templeton Foundation의 지원을받습니다.이러한 문제 중 하나는 “동일성”이라는 개념입니다. 이는 근본적으로 동일한 두 개의 고전적 객체가 없기 때문에 양자 역학 외부의 유사성을 갖지 않는 것 같습니다.

양자 입자의 이러한 궁극적 인 평등은 매우 중요합니다. 원자와 분자, 중성자 별, 흑체 방사선의 구조와 역학을 지배하고 모든 복잡한 과정에서 우리의 삶을 결정하는 결과입니다. 예를 들어, 공기 중의 분자 산소는 극도로 반응성이 있는데 왜 폐가 타지 않는 이유는 무엇입니까? 전자 스핀의 쌍에서 : 일반 산소 분자는 평행 스핀을 갖는 짝을 이루지 않은 전자와 상자성이며, 이는 호흡에서 전자가 차례로 전달되어야 함을 의미합니다. 전자 전달에 대한이 연속적인 특성은 EP에 기인하고 중간 정도입니다. 헤모글로빈에 대한 산소 부착 속도입니다. 다음에 숨을 쉴 때 그렇게 생각하세요!