آزمایشگاه زیرزمینی ایتالیا به دنبال سیگنال‌های گرانش کوانتومی است

19 دسامبر 2022 – توسط موسسه سوالات بنیادی، FQXi-آزمایشگاه زیرزمینی با رادیواکتیویته پایین Gran Sasso. اعتبار: Massimiliano De Deo، LNGS-INFN

برای دهه‌ها، فیزیکدانان به دنبال مدلی از گرانش کوانتومی بودند که فیزیک کوانتومی، قوانینی را که بر موارد بسیار کوچک حاکم هستند، و گرانش را متحد کند. یکی از موانع اصلی دشواری در آزمایش پیش‌بینی‌های مدل‌های کاندید بوده است. اما برخی از مدل‌ها اثری را پیش‌بینی می‌کنند که می‌توان آن را در آزمایشگاه بررسی کرد: یک نقض بسیار کوچک از یک اصل کوانتومی بنیادی به نام اصل طرد پائولی، که برای مثال نحوه آرایش الکترون‌ها در اتم‌ها را تعیین می‌کند.

پروژه‌ای که در آزمایشگاه‌های زیرزمینی INFN در زیر کوه‌های گران ساسو در ایتالیا انجام شد، به دنبال نشانه‌هایی از تشعشعات ناشی از چنین تخلفی در قالب انتقال اتمی ممنوع شده توسط اصل طرد پائولی بوده است.

در دو مقاله منتشر شده در مجلات Physical Review Letters (منتشر شده در 19 سپتامبر 2022) و Physical Review D (پذیرفته شده برای انتشار در 7 دسامبر 2022)، تیم گزارش می دهد که هیچ مدرکی دال بر نقض پیدا نشده است، تا کنون، برخی را رد کرده است. مدل های گرانشی کوانتومی

در درس‌های شیمی مدرسه، به ما آموزش داده می‌شود که الکترون‌ها فقط می‌توانند خود را به روش‌های خاصی در اتم‌ها مرتب کنند، که به نظر می‌رسد به دلیل اصل طرد پائولی است. در مرکز اتم هسته اتم وجود دارد که توسط اوربیتال ها با الکترون احاطه شده است. به عنوان مثال، اوربیتال اول فقط می تواند دو الکترون را در خود جای دهد. اصل طرد پائولی که توسط فیزیکدان اتریشی ولفانگ پاولی در سال 1925 فرموله شد، می گوید که هیچ دو الکترونی نمی توانند حالت کوانتومی یکسانی داشته باشند. بنابراین، در اوربیتال اول یک اتم، دو الکترون دارای «اسپین» با نقطه مقابل یکدیگر هستند (یک ویژگی درونی کوانتومی معمولاً به عنوان یک محور چرخش، به سمت بالا یا پایین نشان داده می‌شود، اگرچه هیچ محور واقعی در الکترون وجود ندارد).

نتیجه خوشحال کننده این امر برای انسان این است که ماده نمی تواند از ماده دیگری عبور کند. کاتالینا کورچانو، یکی از اعضای اتاق فکر فیزیک، موسسه پرسش‌های بنیادی، FQXi و فیزیکدان اصلی آزمایش‌ها در INFN، می‌گوید: «این همه جا وجود دارد – شما، من، ما مبتنی بر اصل حذف پائولی هستیم.  این واقعیت که ما نمی توانیم از دیوارها عبور کنیم، یک پیامد عملی دیگر است.»

این اصل به تمام ذرات بنیادی متعلق به همان خانواده الکترون ها که فرمیون نامیده می شوند، گسترش می یابد و از نظر ریاضی از یک قضیه اساسی به نام قضیه آمار اسپین به دست آمده است. همچنین به طور تجربی تأیید شده است – تا کنون – به نظر می رسد برای همه فرمیون ها در آزمایش ها وجود دارد. اصل طرد پاولی یکی از اصول اصلی مدل استاندارد فیزیک ذرات را تشکیل می دهد.

نقض اصل

اما برخی از مدل‌های فرضی فیزیک، فراتر از مدل استاندارد، نشان می‌دهند که این اصل ممکن است نقض شود. اکنون چندین دهه است که فیزیکدانان به دنبال یک نظریه بنیادی واقعی هستند. مدل استاندارد در توضیح رفتار ذرات، فعل و انفعالات و فرآیندهای کوانتومی در مقیاس میکرو فوق العاده است. با این حال، گرانش را در بر نمی گیرد.

بنابراین، فیزیکدانان در تلاش بوده اند تا یک نظریه متحد کننده از گرانش کوانتومی ایجاد کنند، که برخی از نسخه های آن پیش بینی می کنند که ویژگی های مختلفی که زیربنای مدل استاندارد هستند، مانند اصل طرد پاولی، ممکن است در شرایط شدید نقض شوند.

کورچانو می‌گوید: «بسیاری از این نقض‌ها به‌طور طبیعی در نظریه‌ها و مدل‌های گرانش کوانتومی «غیر جابه‌جایی» اتفاق می‌افتند، مانند آن‌هایی که در مقالات خود بررسی کردیم. یکی از محبوب‌ترین چارچوب‌های گرانشی کوانتومی، نظریه ریسمان است که ذرات بنیادی را به عنوان رشته‌های ارتعاشی کوچک انرژی در فضاهای چند بعدی توصیف می‌کند. برخی از مدل های نظریه ریسمان نیز چنین تخلفی را پیش بینی می کنند.

کورچانو می‌گوید: «تحلیلی که ما گزارش دادیم برخی از درک واقعی گرانش کوانتومی را نادیده می‌گیرد.

به طور سنتی تصور می‌شود که آزمایش چنین پیش‌بینی‌هایی دشوار است، زیرا گرانش کوانتومی معمولاً فقط در عرصه‌هایی مرتبط می‌شود که در آن مقدار زیادی گرانش در یک فضای کوچک متمرکز است – به مرکز یک سیاه‌چاله یا ابتدای جهان فکر کنید.

با این حال، کورچانو و همکارانش متوجه شدند که ممکن است یک اثر ظریف وجود داشته باشد – نشانه ای مبنی بر اینکه اصل طرد و قضیه آمار اسپین نقض شده است – که می تواند در آزمایش های آزمایشگاهی روی زمین کشف شود.

در اعماق کوه‌های Gran Sasso، در نزدیکی شهر L’Aquila، در ایتالیا، تیم Curceanu در حال کار بر روی آزمایش سرب VIP-2 (نقض اصل پائولی) است. در قلب دستگاه یک بلوک ضخیم ساخته شده از سرب رومی با یک آشکارساز ژرمانیوم در نزدیکی آن قرار دارد که می تواند نشانه های کوچکی از تشعشعات ساطع شده از سرب را تشخیص دهد.

ایده این است که اگر اصل طرد پاولی نقض شود، یک انتقال اتمی ممنوع در سرب رومی رخ خواهد داد و یک پرتو ایکس با یک سیگنال انرژی متمایز تولید می کند. این اشعه ایکس توسط آشکارساز ژرمانیوم قابل دریافت است.

سکوت کیهانی

این آزمایشگاه باید در زیر زمین قرار گیرد، زیرا اثر تشعشعات چنین فرآیندی بسیار ضعیف خواهد بود، در غیر این صورت توسط تشعشعات پس‌زمینه کلی زمین از پرتوهای کیهانی غرق می‌شود. کورچانو می گوید: “آزمایشگاه ما چیزی را که “سکوت کیهانی” نامیده می شود، تضمین می کند، به این معنا که کوه گران ساسو شار پرتوهای کیهانی را میلیون ها بار کاهش می دهد. با این حال، این به تنهایی کافی نیست.

کورچانو می‌گوید: «سیگنال ما دارای نرخ احتمالی فقط یک یا دو رویداد در روز یا کمتر است. این بدان معناست که مواد مورد استفاده در آزمایش باید خود “رادیو خالص” باشند – یعنی خودشان هیچ تشعشعی از خود ساطع نکنند – و دستگاه باید در برابر تشعشعات سنگ‌های کوهستانی و تشعشعاتی که از زیر زمین می‌آیند محافظت شود.

کورچانو می‌گوید: «آنچه بسیار هیجان‌انگیز است این است که می‌توانیم برخی از مدل‌های گرانشی کوانتومی را با چنین دقت بالایی کاوش کنیم، کاری که انجام آن در شتاب‌دهنده‌های امروزی غیرممکن است».

در مقالات اخیر خود، تیم گزارش می دهد که هیچ مدرکی برای نقض اصل پائولی پیدا نکرده است. کورچانو می گوید: «تامین مالی FQXi برای توسعه تکنیک های تجزیه و تحلیل داده ها اساسی بود. این به تیم اجازه داد تا محدودیت هایی را برای اندازه هرگونه تخلف احتمالی تعیین کند و به آنها کمک کرد تا برخی از مدل های گرانشی کوانتومی پیشنهادی را محدود کنند.

به طور خاص، این تیم پیش‌بینی‌های مدل به اصطلاح «تتا پوانکاره» را تجزیه و تحلیل کردند و توانستند برخی از نسخه‌های این مدل را در مقیاس پلانک (مقیاسی که قوانین کلاسیک شناخته شده گرانش در آن شکسته می‌شوند) رد کنند. کورچانو می‌گوید: «به‌علاوه، تحلیلی که ما گزارش کردیم، برخی از درک واقعی گرانش کوانتومی را نادیده می‌گیرد».

این تیم اکنون قصد دارد تحقیقات خود را به سایر مدل‌های گرانش کوانتومی، با همکاران نظریه‌پرداز خود Antonino Marcianò از دانشگاه فودان و Andrea Adazi از دانشگاه سیچوان، هر دو در چین، گسترش دهد. کورچانو می‌گوید: «در بخش آزمایشی، ما از مواد هدف جدید و روش‌های تحلیل جدید برای جستجوی سیگنال‌های ضعیف برای پرده‌برداری از بافت فضازمان استفاده خواهیم کرد.

کورچانو می‌افزاید: «آنچه بسیار هیجان‌انگیز است این است که می‌توانیم برخی از مدل‌های گرانشی کوانتومی را با چنین دقت بالایی کاوش کنیم، کاری که انجام آن در شتاب‌دهنده‌های امروزی غیرممکن است. این یک جهش بزرگ است، هم از نظر نظری و هم از نظر تجربی.»