I en ny studie publicerad iNature Physics , har forskare vid MAJORANA Collaboration testat stringens av laddningskonservering och Paulis uteslutningsprinciper med hjälp av underjordiska detektorer. Alessio Porcelli har publicerat en News &Views-artikel om forskningen i samma tidskrift.
Idag är standardmodellen för partikelfysik en av två pelare som modern fysik vilar på. Den förklarar framgångsrikt tre av de fyra grundläggande krafterna och hur subatomära partiklar beter sig.
Paulis uteslutningsprincip och bevarandet av laddning är två av principerna som uppstår från symmetrierna i standardmodellen. De har stått emot många teoretiska utmaningar och har upprepade gånger visat sig till den grad att de anses vara axiomatiska.
Nu tror forskare att små överträdelser av dessa principer kan leda till fysik bortom standardmodellen, såsom exotiska former av materia.
MAJORANA Collaboration är ett sådant experiment. Projektet syftar till att utforska neutrinolöst dubbel beta-sönderfall, en typ av radioaktivt sönderfall, i hopp om att fastställa om neutriner är Majorana-partiklar.
Forskningen är ett internationellt samarbete mellan forskare, inklusive Dr. Clint Wiseman från University of Washington och Dr. Inwook Kim från Lawrence Livermore National Laboratory i Kalifornien, som var medförfattare till Nature studera.
Dr. Wiseman talade till Phys.org och delade med sig av sin motivation bakom denna strävan, "När jag först lärde mig kvantmekanik fick jag lära mig att ifrågasätta saker som presenteras som orubbliga principer. Principerna för kvantmekaniken - grunden för standardmodellen - är tungt ingrodd i oss eftersom de har visat sig vara sanna om och om igen.
"När vi letar efter områden inom ny fysik att utforska under 2000-talet, kan det vara värt att gå tillbaka till dessa principer och försöka tänja på gränserna för deras korrekthet."
Det djupa sambandet mellan symmetri och bevarandelagar avslöjades av matematikern Emmy Noether. Enligt Noethers teorem är varje bevarandelag djupt kopplad till en underliggande symmetri i naturen.
"Vår oförmåga att skapa eller förstöra laddning utan att ta hänsyn till det någon annanstans är relaterad till en symmetri av detta slag. Oförmågan hos fler än två elektroner att dela samma kvanttillstånd representerar en lika viktig antisymmetri av naturen som spelar en väsentlig roll i det storskaliga beteendet hos atommateria," förklarade Dr Wiseman.
Om dessa principer skulle visa sig kränkas skulle det innebära att grundläggande symmetrier bryts.
"Det faktum att fotonerna experimentellt verifieras som masslösa anses ofta vara beviset för att laddningskonserveringen i grunden håller. Teoretiska förlängningar av standardmodellen, liksom vissa kvantgravitationsmodeller, kan dock potentiellt inkludera mekanismer som bryter mot laddningskonserveringen.
"Principen för uteslutning av Pauli är matematiskt härledd direkt från den antisymmetriska egenskapen hos fermioniska vågfunktioner. Som i fallet med laddningskonservering, kan detta kränkas i ett ramverk som ligger utanför standardmodellen," sa Dr. Kim till Phys.org.
Hur hänger detta ihop med det arbete som utförs av MAJORANA-projektet? Majorana-partikeln, om den finns, skulle vara sin egen partikel. Detta är för tillfället rent gissningar, men neutrinon kanske passar in i beskrivningen.
Neutrinon är en mycket svårfångad partikel, vilket gör det svårt att upptäcka och studera dess egenskaper. En av de saker som forskare inte har kunnat fastställa är om det är en egen antipartikel, dvs en Majorana-partikel.
MAJORANA-projektet arbetar mot detta mål genom att söka efter en extremt sällsynt process som kallas neutrinolös dubbel beta-sönderfall.
Betasönderfall är som tidigare nämnt en radioaktiv sönderfallsprocess. I denna process sönderfaller neutroner till protoner, positroner (som är kända som beta-partiklar och är antielektronerna) och antineutriner.
MAJORANA DEMONSTRATOR består av högrent germanium (Ge) detektorer djupt under jorden för att undvika strålning, såsom kosmisk strålning, som kan störa den. Ge-detektorerna är mycket känsliga för energier som frigörs under dessa beta-sönderfallsreaktioner.
I ett dubbelt beta-sönderfall har vi två beta-sönderfall som sker samtidigt, och vi får två antineutrinos tillsammans med protonerna och beta-partiklarna. Men i det neutrinolösa fallet skulle vi inte observera några neutriner, som namnet antyder.
Detta beror på att om neutrinon var en Majorana-partikel, skulle neutrinon från en beta-sönderfall eliminera utsläppen från antineutrino (från den andra sönderfallet), vilket resulterade i inga neutrinonemissioner, vilket MAJORANA-demonstratorn är inställd på att upptäcka.
Datauppsättningen som togs av detektormatrisen låg till grund för forskarna att studera gränserna för laddningskonserveringen och Paulis uteslutningsprincip.
Testa gränserna
Forskarna fokuserade på tre scenarier, där det första testade laddningsbevarande och de andra två testade Paulis uteslutningsprincip.
Låt oss börja med det första testet:ladda icke-konservering. I det här scenariot undersökte forskarna elektronsönderfall i en Ge-atom. Om en elektron skulle sönderfalla, skulle den lämna en tom plats i atomens orbital, som fylls av en elektron från en annan orbital.
Denna process resulterar i emission av en foton eller röntgen, vilket indikerar att laddningen är balanserad. Emellertid skulle bristen på utsläpp tyda på en icke-bevarande av laddning.
När det gäller Paulis uteslutningsprincip fokuserade forskarna på typ I- och typ III-interaktioner mellan fermioner (i detta fall elektroner).
I typ I-interaktioner har vi interaktion mellan en nyskapad elektron och ett system av fermioner. Denna elektron skapas med hjälp av parproduktion från gammastrålar.
Syftet var nu att observera om denna nyskapade elektron skulle ockupera en helt färdig atomomloppsbana (som är fallet för Ge-atomer), vilket bryter mot Paulis uteslutningsprincip om fermioner som upptar samma tillstånd. Om detta verkligen hände skulle de observera en röntgenstrålning.
För det slutliga scenariot, typ III-interaktioner, är interaktionerna mellan fermioner i samma system, d.v.s. elektroner inom Ge-atomen. Om en elektron oväntat skulle övergå från sin orbital till en annan fylld orbital, skulle en foton eller röntgenstrålning sändas ut, och Paulis princip skulle vara i strid.
Ange nya begränsningar och bilda LEGEND
Forskarna fann att alla tre scenarierna fungerade som de skulle, utan några överträdelser.
"Vi hittade inga bevis för att principerna överträds, vilket sätter strängare gränser för nya teorier om fysik. Gränsen för laddningskonservering är den strängaste i sitt slag sedan 1999", säger Dr Wiseman.
Gränsen som Dr. Wiseman syftar på här är medellivslängden för elektronen som sönderfaller till tre neutriner (eller mörk materia), som de fastställde är större än 2,83 × 10 25 år, vilket indikerar elektronernas höga stabilitet.
Vidare, tillade Dr. Kim, "Vårt fynd av att det inte finns någon signatur tyder på att dessa två principer håller mycket hög precision - åtminstone i den utsträckning som dagens toppmoderna teknik kan upptäcka. Detta stärker ytterligare vårt förtroende för giltigheten av dessa principer."
MAJORANA DEMONSTRATOR-datauppsättningen visade sig vara otroligt mångsidig. Experimentet utökas genom att bilda ett större samarbete kallat LEGEND genom att slås samman med en annan Ge-baserad detektor, Gerda.
"Genom att använda högupplösta germaniumdetektorer i en ultraren miljö kommer LEGEND att ytterligare undersöka olika oväntade signaturer bortom standardmodellens fysik", säger Dr. Kim.
Dr Wiseman avslutade med att säga:"De nuvarande resultaten validerar kvantmekanikens noggrannhet och ger strängare begränsningar för framtida ansträngningar att konstruera nya teorier om fysik. Detta kommer att kräva mer fantasi, eller som Feynman uttryckte det:fantasi i en tvångströja."
Mer information: Sök efter brott mot avgifter som inte bevarar och Pauli uteslutningsprincipen med Majorana Demonstrator, Nature Physics (2024). DOI:10.1038/s41567-024-02437-9
Alessio Porcelli, Sök efter regelbrytande elektroner, Naturfysik (2024). DOI:10.1038/s41567-024-02448-6
Journalinformation: Naturfysik , Natur
© 2024 Science X Network
