_ Oamenii de știință de la Colaborarea MAJORANA caută electroni care încalcă regulile

Într-un nou studiu publicat în Fizica naturii, oamenii de știință de la Colaborarea MAJORANA au testat rigurozitatea conservării sarcinii și principiile de excludere ale lui Pauli folosind detectoare subterane. Alessio Porcelli a publicat un articol News & Views despre cercetare în același jurnal.

Astăzi, Modelul standard al fizicii particulelor este unul dintre cei doi piloni pe care se bazează fizica modernă. Acesta explică cu succes trei din cele patru forțe fundamentale și modul în care se comportă particulele subatomice.

Principiul de excludere al lui Pauli și conservarea sarcinii sunt două dintre principiile care decurg din simetriile din Modelul Standard. Ei au rezistat multor provocări teoretice și s-au dovedit în mod repetat până la punctul în care sunt considerați axiomatici.

Acum, cercetătorii cred că mici încălcări ale acestor principii ar putea duce la fizică dincolo de Modelul standard, cum ar fi forme exotice de contează.

Colaborarea MAJORANA este un astfel de experiment. Proiectul își propune să exploreze dezintegrarea beta dublă fără neutrini, un tip de dezintegrare radioactivă, în speranța de a stabili dacă neutrinii sunt particule de Majorana.

Cercetarea este o colaborare internațională a oamenilor de știință, inclusiv dr. Clint Wiseman de la Universitatea din Washington și Dr. Inwook Kim de la Lawrence Livermore National Laboratory din California, care au fost coautori ai studiului Nature.

Vorbind cu Phys.org, Dr. Wiseman și-a împărtășit motivația din spatele acestei activități: „Când am aflat prima dată mecanica cuantică, am fost învățat să pun la îndoială lucrurile prezentate ca principii de neclintit. Principiile mecanicii cuantice — piatra de bază a modelului standard — sunt puternic înrădăcinate în noi, deoarece s-au dovedit a fi adevărate din nou și din nou.

„Pe măsură ce căutăm domenii ale noii fizici de explorat în secolul 21, poate merita să ne întoarcem la acele principii și să încercăm să depășim limitele corectitudinii lor.”

Conexiunea profundă dintre simetrie iar legile de conservare au fost dezvăluite de matematicianul Emmy Noether. Conform teoremei lui Noether, fiecare lege de conservare este profund legată de o simetrie subiacentă în natură.

„Incapacitatea noastră de a crea sau distruge sarcină fără a o considera în altă parte este legată de o simetrie de acest fel. mai mult de doi electroni care împart aceeași stare cuantică reprezintă o antisimetrie la fel de importantă a naturii, care joacă un rol esențial în comportamentul la scară largă al materiei atomice”, a explicat dr. Wiseman.

Dacă aceste principii s-au dovedit a fi încălcate, ar însemna ruperea simetriilor fundamentale.

„Faptul că fotonii sunt verificați experimental ca fără masă este adesea considerat dovada că conservarea sarcinii este susținută în mod fundamental. Cu toate acestea, extensiile teoretice ale Modelul Standard, ca anumite modele gravitaționale cuantice, ar putea include mecanisme care încalcă conservarea sarcinii.

„Principiul de excludere Pauli este derivat matematic direct din proprietatea antisimetrică a funcțiilor de undă fermionice. Ca și în cazul conservării încărcăturii, acest lucru ar putea fi încălcat într-un cadru care depășește modelul standard”, a spus dr. Kim pentru Phys.org.

Cum se leagă acest lucru cu munca realizată de către Proiectul MAJORANA, dacă există, ar fi propria sa particulă. Aceasta este, în prezent, o conjectie pură, dar neutrinul s-ar putea încadra în descriere.

Neutrino este o particulă foarte evazivă. ceea ce face dificilă detectarea și studierea proprietăților sale Unul dintre lucrurile pe care oamenii de știință nu le-au putut stabili este dacă este propria sa antiparticulă, adică o particulă Majorana.

Proiectul MAJORANA lucrează în acest scop. în căutarea unui proces ultra-rar cunoscut sub numele de dezintegrare beta dublă fără neutrini.

Desintegrarea beta, așa cum am menționat mai devreme, este un proces de descompunere radioactivă. În acest proces, neutronii se descompun în protoni, pozitroni (care sunt cunoscuți sub numele de particule beta și sunt antielectroni) și antineutrini.

DEMONSTRATORUL MAJORANA constă din detectoare de germaniu (Ge) foarte pur la adâncimea subteranului pentru a evita radiațiile. , cum ar fi razele cosmice, care ar putea interfera cu aceasta. Detectoarele Ge sunt foarte sensibile la energiile eliberate în timpul acestor reacții de dezintegrare beta.

Într-o dezintegrare beta dublă, avem două dezintegrari beta care au loc simultan și obținem doi antineutrini împreună cu protonii și particulele beta. Totuși, în cazul fără neutrini, nu am observa neutrini, așa cum sugerează și numele.

Acest lucru se datorează faptului că, dacă neutrino ar fi o particulă Majorana, neutrino dintr-o dezintegrare beta ar anula emisiile de la antineutrin. (din cealaltă dezintegrare), rezultând fără emisii de neutrini, pe care demonstratorul MAJORANA este setat să le detecteze.

Setul de date preluat de matricea de detectoare a stat la baza cercetătorilor pentru a studia limitele conservării sarcinii și principiul excluderii lui Pauli.

Testarea limitelor

Cercetătorii s-au concentrat pe trei scenarii, primul testând conservarea sarcinii, iar celelalte două testând principiul excluderii lui Pauli.

p>Să începem cu primul test: neconservarea taxei. În acest scenariu, cercetătorii explorau dezintegrarea electronilor într-un atom Ge. Dacă un electron s-ar descompune, ar lăsa un loc liber în orbital atomului, care este umplut de un electron dintr-un orbital diferit.

Acest proces are ca rezultat emisia unui foton sau a unei raze X, indicând că taxa este echilibrată. Cu toate acestea, lipsa emisiei ar indica o neconservare a sarcinii.

Pentru cazul principiului de excludere al lui Pauli, cercetătorii s-au concentrat pe interacțiunile de tip I și de tip III ale fermionilor (în acest caz, electronii).

În interacțiunile de tip I, avem interacțiune între un electron nou creat și un sistem de fermioni. Acest electron este creat folosind producția de perechi din raze gamma.

Scopul a fost acum să se observe dacă acest electron nou creat ar ocupa un orbital atomic complet completat (cum este cazul atomilor Ge), încălcând principiul de excludere al lui Pauli. despre fermionii care ocupă aceeași stare. Dacă acest lucru s-ar întâmpla într-adevăr, ar observa o emisie de raze X.

Pentru scenariul final, interacțiunile de tip III, interacțiunile sunt între fermioni din același sistem, adică electroni din atomul Ge. Dacă un electron ar trece de la orbital său la un alt orbital plin în mod neașteptat, ar fi emis un foton sau raze X, iar principiul lui Pauli ar fi încălcat.

Stabilirea de noi constrângeri și formarea LEGENDĂ

Cercetătorii au descoperit că toate cele trei scenarii s-au desfășurat așa cum trebuia, fără încălcări.

„Nu am găsit nicio dovadă că principiile sunt încălcate, stabilind limite mai stricte noilor teorii ale fizicii. Limita de conservare a sarcinii este cea mai strictă de acest gen din 1999”, a spus dr. Wiseman.

Limita la care se referă Dr. Wiseman aici se referă la durata medie de viață a electronului care se descompun la trei neutrini (sau materie întunecată), pe care au stabilit-o ca fiind mai mare de 2,83 × 1025 de ani, ceea ce indică stabilitatea ridicată a electronilor.

În plus, dr. Kim a adăugat: „Descoperirea noastră de lipsă de semnătură sugerează că aceste două principii sunt valabile pentru o precizie foarte mare – cel puțin în măsura în care tehnologia actuală de ultimă generație poate detecta acest lucru ne întărește și mai mult încrederea în validitatea acestor principii.”

Setul de date MAJORANA DEMONSTRATOR s-a dovedit a fi. incredibil de versatil. Experimentul se extinde prin formarea unei colaborări mai ample numită LEGEND prin fuzionarea cu un alt detector bazat pe Ge, Gerda.

„Prin operarea detectorilor de germaniu de înaltă rezoluție într-un mediu ultracurat, LEGEND va investiga în continuare diferite semnături neașteptate din afara fizicii modelului standard”, a spus dr. Kim.

Dr. Wiseman a concluzionat spunând: „Rezultatele actuale validează acuratețea mecanicii cuantice și oferă constrângeri mai stricte asupra eforturilor viitoare de a construi noi teorii ale fizicii. Acest lucru va necesita mai multă imaginație, sau așa cum a spus Feynman: imaginația în cămașă de forță.”

© 2024 Science X Network

(Fluierul)