Jeśli mocno chwycimy kamień w dłonie, nie spodziewamy się, że zniknie ani przecieka nasze ciało i kości. Z naszego doświadczenia wynika, że kamień i, bardziej ogólnie, materia stała są stabilne i nieprzeniknione. W ubiegłym roku minęła 50. rocznica demonstracji Freemana Dysona i Andrew Lenarda, że stabilność materii wywodzi się z zasady wykluczenia Pauliego. Zasada ta, za którą Wolfgang Pauli otrzymał w 1945 roku Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki, opiera się na ideach tak rozpowszechnionych w fizyce fundamentalnej, że rzadko kwestionuje się ich podstawy. Tutaj celebrujemy i zastanawiamy się nad zasadą Pauliego oraz przeglądamy najnowsze eksperymenty, aby ją przetestować.

Zasada wykluczenia (EP), która mówi, że żadne dwa fermiony nie mogą zajmować tego samego stanu kwantowego, jest z nami od prawie wieku. W swoim wykładzie Nobla Pauli przedstawił dogłębny i obszerny opis jego odkrycia i jego powiązań z nierozwiązanymi problemami nowo powstałej teorii kwantów. Na początku lat dwudziestych XX wieku, zanim pojawiło się równanie Schrödingera i algebra macierzowa Heisenberga, młody Pauli dokonał niezwykłego wyczynu, postulując zarówno EP, jak i to, co nazwał „klasycznie niemożliwą do opisania podwójnością” – wczesną wskazówką na spin elektronu – aby wyjaśnić strukturę widm atomowych.

W tym czasie EP spotkał się z pewnym oporem, a sam Pauli miał wątpliwości co do koncepcji, które miał nieco lekkomyślnie wprowadzone. Sytuacja uległa znacznej zmianie po wprowadzeniu w 1925 r. Koncepcji spinu elektronu i jej identyfikacji z dwoistością Pauliego, która wywodzi się z empirycznych idei Lande, wstępnej sugestii Kroniga oraz niezależnego artykułu Goudsmita i Uhlenbecka. Wprowadzając obraz elektronu jako małej klasycznej kuli ze spinem, który może wskazywać tylko w dwóch kierunkach, zarówno Kronig, jak i Goudsmit i Uhlenbeck, byli w stanie obliczyć rozszczepienie drobnocząsteczkowego wodoru atomowego, chociaż nadal brakowało im współczynnik dwa. Po tych pierwszych krokach nastąpiły relatywistyczne obliczenia Thomasa, rachunek spinu Pauliego, a wreszcie w 1928 r. Eleganckie równanie falowe Diraca, które położyło kres wszelkim oporom przeciwko koncepcji spinu.

Jednak teoretyczne wyjaśnienie EP musiało trochę poczekać. Tuż przed drugą wojną światową Pauli i Markus Fierz dokonali znaczący postęp w realizacji tego celu, po którym w 1940 r. Pauli opublikował swój przełomowy artykuł „Związek między spinem a statystyką”. W artykule tym wykazano, że (przy założeniu relatywistycznej niezmiennej postaci przyczynowości) spin cząstki determinuje relacje komutacyjne, tj. Czy pola dojeżdżają, czy też przeciwdziałają komutacji, a zatem statystyki, którym podlegają cząstki. EP dla fermionów o spinie 1/2 jest następstwem połączenia statystyki spinowej, a podział cząstek na fermiony i bozony na podstawie ich spinów jest jednym z kamieni węgielnych współczesnej fizyki.

proste

EP jest pozornie prosty do stwierdzenia, a wielu fizyków próbowało pominąć teorię względności i znaleźć bezpośrednie dowody, które wykorzystują samą zwykłą mechanikę kwantową – aczkolwiek zakładając spin, który jest pojęciem prawdziwie relatywistycznym. Sam Pauli był zaintrygowany tą zasadą iw swoim wykładzie Nobla zauważył: „Już w moim oryginalnym artykule podkreśliłem okoliczność, że nie jestem w stanie podać logicznego powodu zasady wykluczenia ani wyprowadzić jej z bardziej ogólnych założeń. zawsze mam poczucie i nadal mam to do dziś, że to jest brak.… Wrażenie, że cień jakiejś niekompletności padł tutaj na jasne światło sukcesu nowej mechaniki kwantowej, wydaje mi się nieuniknione. ” Nawet Feynman – który zazwyczaj przyćmiewał innych swoją niesamowitą intuicją – czuł się sfrustrowany niemożnością wymyślenia prostego, prostego uzasadnienia EP: „Wydaje się, że jest to jedno z niewielu miejsc w fizyce, w których istnieje reguła, która może być stwierdzone w bardzo prosty sposób, ale dla którego nikt nie znalazł prostego i łatwego wyjaśnienia… To prawdopodobnie oznacza, że nie mamy pełnego zrozumienia podstawowej zasady. W tej chwili będziesz musiał po prostu przyjąć to jako jedną z zasad świata. ”

Szczególnie interesujące

Po dalszych badaniach teoretycznych, które obejmowały nowe dowody na związek spin-statystyki oraz wprowadzenie przez Greena tzw. para-statystyk, możliwe małe naruszenie EP zostało po raz pierwszy rozważone przez Reines i Sobel w 1974 r., kiedy ponownie przeanalizowali eksperyment Goldhabera i Scharffa w 1948 r. Możliwość drobnych naruszeń została teoretycznie obalona przez Amado i Primakoff w 1980 r., ale temat powrócił w 1987 r. . W tym samym roku rosyjski teoretyk Lev Okun przedstawił model naruszeń PE, w którym rozważał zmodyfikowane stany fermionowe, które oprócz zwykłej próżni i stanu jednocząstkowego obejmują również stan dwucząstkowy. Okun napisał, że „Szczególne miejsce, jakie zajmuje zasada Pauliego we współczesnej fizyce teoretycznej, nie oznacza, że zasada ta nie wymaga dalszych i wyczerpujących testów eksperymentalnych. Wręcz przeciwnie, to właśnie fundamentalna natura zasady Pauliego uczyniłaby takie testy w całym układzie okresowym, co jest szczególnie interesujące. ”

Model Okuna napotkał jednak trudności podczas próby zbudowania rozsądnego hamiltonianu, po pierwsze dlatego, że hamiltonian obejmował nielokalne po drugie, ponieważ Okunowi nie udało się skonstruować relatywistycznego uogólnienia modelu. Mimo to w jego artykule mocno zachęcano do badań eksperymentalnych na atomach. W tym samym roku (1987) Ignatiev i Kuzmin przedstawili rozszerzenie modelu Okuna w ściśle nierelatywny kontekst sytuacyjny, który został scharakteryzowany przez „parametr beta” | β | < < 1. Nie należy mylić go z relatywistycznym czynnikiem v / c, β to parametr opisujący działanie operatora tworzenia na stan jednej cząstki. Korzystając z modelu zabawki, aby zilustrować przejścia, które naruszają EP, Ignatiev i Kuzmin wywnioskowali, że prawdopodobieństwo przejścia dla anomalnego stanu symetrii dwuelektronowej jest proporcjonalne do β2 / 2, które jest nadal szeroko stosowane do reprezentowania prawdopodobieństwa naruszenia EP.

To nierelatywistyczne podejście zostało skrytykowane przez AB Govorkov, który argumentował, że naiwny model Ignatieva i Kuzmina nie może zostać rozszerzony na pełnoprawną kwantową teorię pola. Ponieważ jednak przyczynowość jest ważnym składnikiem dowodu Pauliego na związek statystyki spinowej, zastrzeżenia Govorkova można pominąć: później w 1987 roku Oscar Greenberg i Rabindra Mohapatra z University of Maryland wprowadzili kwantową teorię pola z ciągle zniekształcanymi relacjami komutacyjnymi, które doprowadziły do naruszenia związku przyczynowego. Parametr odkształcenia oznaczono literą q, a teoria miała opisywać nowe hipotetyczne cząstki zwane „quonami”. Govorkov był jednak w stanie wykazać, że nawet ten sztuczka nie może oszukać kwantowej teorii pola do niewielkich naruszeń EP , pokazując, że samo istnienie antycząstek – znowu prawdziwa relatywistyczna cecha kwantowej teorii pola – wystarczyło, aby wykluczyć drobne naruszenia. Przesłanie było takie, że naruszenie lokalności nie wystarczy do złamania EP, nawet „tylko mało ”.

Związek między wewnętrznym spinem cząstek a statystykami, którym podlegają, leży u podstaw kwantowej teorii pola i dlatego powinien zostać przetestowany. Naruszenie PE byłoby rewolucyjne. Może to być związane na przykład z naruszeniem CPT lub naruszeniem lokalności lub niezmienności Lorentza. Jednak widzieliśmy, jak solidna jest EP i jak trudno jest sformułować naruszenie w ramach aktualnej kwantowej teorii pola. Eksperymenty napotykają nie mniejsze trudności, jak zauważyli już w 1980 roku Amado i Primakoff, i jest bardzo niewiele opcji eksperymentalnych, za pomocą których można naprawdę przetestować tę zasadę współczesnej fizyki.

Jedną z trudności napotykanych przez eksperymenty jest że identyczność cząstek elementarnych oznacza, że hamiltoniany muszą być niezmienne w odniesieniu do wymiany cząstek, a co za tym idzie, nie mogą zmienić symetrii dowolnego stanu wielu identycznych cząstek.Nawet w przypadku mieszanej symetrii układu wielocząstkowego nie ma fizycznego sposobu na wywołanie przejścia do stanu o różnej symetrii. To jest istota reguły superselekcji Mesjasza-Greenberga, którą można złamać tylko wtedy, gdy system fizyczny jest otwarty.

Łamanie zasad

Pierwszy dedykowany eksperyment zgodny z tym złamaniem reguły superselekcji Mesjasza-Greenberga przeprowadzili w 1990 roku Ramberg i Snow, którzy poszukiwali zabronionych przez Pauliego przejść rentgenowskich w miedzi po wprowadzeniu elektronów do systemu. Chodzi o to, że zasilacz wprowadzający prąd elektryczny do miedzianego przewodnika działa jako źródło elektronów, które są nowe dla atomów w przewodniku. Jeśli te elektrony mają „złą” symetrię, mogą być wychwycone radiacyjnie na już zajętym poziomie 1S atomów miedzi i emitować promieniowanie elektromagnetyczne. Na powstałe promieniowanie X wpływa nietypowa konfiguracja elektronów i są one nieco przesunięte w kierunku niższych energii w odniesieniu do do charakterystycznych promieni rentgenowskich miedzi.

Ramberg i Snow nie wykryli żadnego naruszenia, ale byli w stanie określić górną granicę prawdopodobieństwa naruszenia Β2 / 2 < 1,7 × 10–26. Zgodnie z ich koncepcją, znacznie ulepszona wersja eksperymentu, zwana VIP (naruszenie zasady Pauliego), została uruchomiona w podziemnym laboratorium LNGS w Gran Sasso we Włoszech w 2006 r. w eksperymencie Ramberga i Snowa przy użyciu urządzeń ze sprzężeniem ładunkowym (CCD) jako detektorów promieniowania rentgenowskiego o wysokiej rozdzielczości o dużej powierzchni i wysokiej wewnętrznej sprawności. W pierwotnej konfiguracji VIP CCD były umieszczone wokół cylindra z czystej miedzi; X- promienie emitowane z cylindra były mierzone bez prądu i z prądem do 40 A. Kosmiczne tło w laboratorium LNGS jest silnie tłumione – 106-krotnie dzięki leżącej na nim skale – a aparat był również otoczony masywną osłoną ołowianą.

Ustalanie limitów

Po czterech latach zbierania danych VIP wyznaczył nowy limit naruszenia EP dla elektronów na poziomie β2 / 2 < 4,7 × 10–29. Aby jeszcze bardziej zwiększyć czułość, eksperyment został zaktualizowany do VIP2, w którym krzemowe detektory dryfu (SDD) zastępują CCD jako detektory promieniowania rentgenowskiego. Budowa VIP2 rozpoczęła się w 2011 roku, aw 2016 roku instalacja została zainstalowana w podziemnym laboratorium LNGS, gdzie po debugowaniu i testach rozpoczęto zbieranie danych. SDD zapewniają szerszy kąt bryłowy do wykrywania promieni rentgenowskich, a ta poprawa, wraz z wyższym prądem i aktywnym ekranowaniem za pomocą scyntylatorów z tworzywa sztucznego w celu ograniczenia tła, prowadzi do znacznie lepszej czułości. Zdolność synchronizacji SDD pomaga również stłumić zdarzenia tła.

Eksperymentalny program testujący możliwe naruszenie EP dla elektronów poczynił duże postępy w 2017 r. I poprawił już górną granicę wyznaczoną przez VIP w pierwszym dwa miesiące pracy. Przy planowanym okresie trzech lat i naprzemiennym pomiarze z prądem i bez prądu, oczekuje się poprawy o dwa rzędy wielkości w stosunku do poprzedniej górnej granicy VIP. W przypadku braku sygnału spowoduje to ustawienie limitu naruszeń EP na poziomie β2 / 2 < 10–31.

Eksperymenty takie jak test VIP i VIP2 związek statystyki spinowej dla jednego szczególnego rodzaju fermionów: elektronów. Przypadek naruszenia EP neutrin był również teoretycznie omawiany przez Dolgova i Smirnova. Jeśli chodzi o bozony, ograniczenia dotyczące możliwych naruszeń statystyk wynikają z poszukiwań fizyki wysokich energii w poszukiwaniu rozpadów cząstek wektorowych (tj. Spin-jeden) na dwa fotony. Takie rozpady są zabronione przez twierdzenie Landau – Yanga, którego dowód zawiera założenie, że dwa fotony muszą być wytwarzane w stanie permutacyjno-symetrycznym. Uzupełniającym podejściem jest zastosowanie testów spektroskopowych, przeprowadzonych w LENS we Florencji w latach 90. XX wieku, które badają właściwości permutacji jąder 160 w cząsteczkach wieloatomowych poprzez poszukiwanie przejść między stanami, które są antysymetryczne przy wymianie dwóch jąder. Jeśli jądra są bozonami, tak jak w tym przypadku, takie przejścia, jeśli zostaną znalezione, naruszają zależność spin-statystyka. Przeprowadzono również badania wysokiej czułości fotonów metodami spektroskopowymi. Na przykład, używając zakazanego wzbudzenia dwufotonowego baru według statystyk Bosego-Einsteina, prawdopodobieństwo, że dwa fotony będą w „złym” stanie symetrii permutacji, zostało wykazane przez Anglików i współpracowników z Berkeley w 2010 roku jako mniejsze niż 4 × 10–11 – poprawa o więcej niż trzy rzędy wielkości w porównaniu z wcześniejszymi wynikami.

Podsumowując, zauważamy, że PE ma wiele powiązanych problemów filozoficznych, o czym sam Pauli był doskonale świadomy, i są one badane w ramach specjalnego projektu z udziałem współpracowników VIP i wspieranego przez Fundację Johna Templetona.Jedną z takich kwestii jest pojęcie „identyczności”, które wydaje się nie mieć odpowiednika poza mechaniką kwantową, ponieważ nie ma dwóch zasadniczo identycznych obiektów klasycznych.

Ta ostateczna równość cząstek kwantowych prowadzi do niezwykle ważnego konsekwencje rządzące strukturą i dynamiką atomów i cząsteczek, gwiazd neutronowych, promieniowania ciała doskonale czarnego i determinujące nasze życie w całej jego zawiłości. Na przykład tlen cząsteczkowy w powietrzu jest niezwykle reaktywny, więc dlaczego nasze płuca nie tylko palą się? w parowaniu spinów elektronów: zwykłe cząsteczki tlenu są paramagnetyczne z niesparowanymi elektronami, które mają równoległe spiny, a to oznacza, że w oddychaniu elektrony muszą być przenoszone jeden po drugim. Ten sekwencyjny charakter transferów elektronów jest spowodowany EP i umiarkowany szybkość przyłączania tlenu do hemoglobiny. Pomyśl o tym podczas następnego wdechu!