Laboratorium ukryte we włoskich górach poszukuje naruszeń praw fizyki. Zakaz Pauliego można złamać

Zakaz Pauliego jest jednym z podstawowych praw wyjaśniających zachowania fermionów, czyli cząstek o spinie połówkowym. Okazuje się, że w pewnych okolicznościach może zostać on złamany, a symptomów tego zdarzenia poszukują naukowcy w najwyższym masywie Apeninów.
Niektóre podstawowe prawa fizyki można złamać, ale wykryć takie zdarzenie nie jest łatwo /Fot. Pixabay

Niektóre podstawowe prawa fizyki można złamać, ale wykryć takie zdarzenie nie jest łatwo /Fot. Pixabay

We włoskim Gran Sasso znajduje się laboratorium Narodowego Instytutu Fizyki Jądrowej (INFN), w którym uczeni poszukują dowodów na subtelne naruszenie fundamentalnego prawa fizyki zwanego zakazem Pauliego. Reguła ta mówi, że elektrony mogą układać się w atomach tylko w określony sposób. Według zakazu Pauliego, żadne dwa fermiony (do tej grupy zaliczamy elektrony) nie mogą znajdować się w tym samym stanie kwantowym, co oznacza poważne implikacje dla świata makroskopowego. Dzięki zakazowi Pauliego, wszyscy jesteśmy zbudowani z materii stałej.

Ty, ja, my wszyscy istniejemy dzięki zakazowi Pauliego. To z jego powodu nie możemy przenikać przez ściany. Prof. Catalina Curceanu, członek think tanku Foundational Questions Institute (FQXi) i główny fizyk eksperymentów w INFN

Jak złamać zakaz Pauliego?

Istnieją modele fizyczne, wykraczające poza model standardowy, które wskazują, że zakaz Pauliego może zostać złamany. Dotyczy to głównie teorii związanych z grawitacją kwantową, które pod wieloma względami są sprzeczne z intuicją. Zespół prof. Curceanu odkrył, że oznaki złamania zakazu Pauliego można wykryć w ziemskich laboratoriach – pod warunkiem, że eksperyment jest właściwie do tego przystosowany.

Czytaj też: Elektrony jako ciecz mogą pomóc w budowie komputerów kwantowych odpornych na zaburzenia

Właśnie takie próby odbywają się w laboratorium INFN w górach Gran Sasso. Celem projektu VIP-2 (Violation of the Pauli Principle) jest poszukiwanie wszelkich oznak naruszenia reguły Pauliego, nawet tych najbardziej subtelnych. Eksperymenty są przeprowadzane w placówce podziemnej, bo inaczej nie byłoby możliwe wychwycenie sygnatury promieniowania z takiego procesu (ze względu na silne promieniowanie tła).

Nasze laboratorium zapewnia tzw. kosmiczną ciszę w tym sensie, że góra Gran Sasso zmniejsza strumień promieni kosmicznych milion razy. Nasz sygnał ma możliwą częstotliwość jednego lub dwóch zdarzeń dziennie lub mniej. Prof. Catalina Curceanu

Aby eksperyment się udał, konieczne jest użycie materiałów, które nie emitują żadnego promieniowania, a masyw górski stanowi idealną naturalną barierę przed cząstkami kosmicznymi. Niektóre modele grawitacji kwantowej mogą być tu sprawdzane z większą precyzją niż w najbardziej z zaawansowanych akceleratorach cząstek.

Czytaj też: Jak szybkie są elektrony? Wykryto opóźnienia rzędu kilku attosekund

Mimo iż poszukiwania naruszeń reguły Pauliego trwają już jakiś czas, fizycy nie znaleźli jeszcze jednoznacznych dowodów, które by wskazywały, że jest to możliwe. Pojawiły się pewne fluktuacje odmienne od oczekiwanych wyników, ale to za mało, by mówić o pewności. W kolejnych latach eksperymentów ma być jeszcze więcej.

Po stronie eksperymentalnej użyjemy nowych materiałów docelowych i nowych metod analizy, aby szukać słabych sygnałów i odsłonić strukturę czasoprzestrzeni. Niezwykle ekscytujące jest to, że możemy badać niektóre modele grawitacji kwantowej z tak dużą precyzją, co jest niemożliwe do wykonania w przypadku współczesnych akceleratorów. To duży skok, zarówno z teoretycznego, jak i eksperymentalnego punktu widzenia. Prof. Catalina Curceanu

Szczegóły już przeprowadzonych eksperymentów opublikowano w czasopiśmie Physical Review D.