I en ny undersøgelse offentliggjort iNature Physics , har forskere ved MAJORANA Collaboration testet stringensheden af ladningsbevarelse og Paulis udelukkelsesprincipper ved hjælp af underjordiske detektorer. Alessio Porcelli har udgivet et nyheder og synspunkter om forskningen i samme tidsskrift.
I dag er standardmodellen for partikelfysik en af to søjler, som moderne fysik hviler på. Den forklarer med succes tre ud af de fire grundlæggende kræfter, og hvordan subatomære partikler opfører sig.
Paulis udelukkelsesprincip og bevarelse af ladning er to af de principper, der udspringer af symmetrierne i Standardmodellen. De har modstået mange teoretiske udfordringer og har gentagne gange vist sig til det punkt, hvor de betragtes som aksiomatiske.
Nu mener forskere, at små overtrædelser af disse principper kan føre til fysik ud over standardmodellen, såsom eksotiske former for stof.
MAJORANA-samarbejdet er et sådant eksperiment. Projektet har til formål at udforske neutrinoløst dobbelt beta-henfald, en type radioaktivt henfald, i håb om at fastslå, om neutrinoer er Majorana-partikler.
Forskningen er et internationalt samarbejde mellem forskere, herunder Dr. Clint Wiseman fra University of Washington og Dr. Inwook Kim fra Lawrence Livermore National Laboratory i Californien, som var medforfatter til Nature studere.
Dr. Wiseman talte til Phys.org og delte sin motivation bag denne forfølgelse:"Da jeg først lærte kvantemekanik, blev jeg lært at stille spørgsmålstegn ved ting, der præsenteres som urokkelige principper. Principperne for kvantemekanik - grundstenen i Standardmodellen - er stærkt indgroet i os, fordi de har vist sig at være sande igen og igen.
"Når vi leder efter områder af ny fysik at udforske i det 21. århundrede, kan det være umagen værd at gå tilbage til disse principper og forsøge at skubbe grænserne for deres korrekthed."
Den dybe forbindelse mellem symmetri og bevarelseslove blev afsløret af matematikeren Emmy Noether. Ifølge Noethers teorem er enhver bevaringslov dybt forbundet med en underliggende symmetri i naturen.
"Vores manglende evne til at skabe eller ødelægge ladning uden at tage højde for det andre steder er relateret til en symmetri af denne art. Den manglende evne af mere end to elektroner til at dele den samme kvantetilstand repræsenterer en lige så vigtig antisymmetri af naturen, som spiller en væsentlig rolle i den store opførsel af atomart stof," forklarede Dr. Wiseman.
Hvis disse principper viste sig at blive overtrådt, ville det betyde brud på grundlæggende symmetrier.
"Det faktum, at fotonerne eksperimentelt verificeres som masseløse, betragtes ofte som beviset på, at ladningsbevarelsen grundlæggende holder. Teoretiske udvidelser af Standardmodellen kan dog, ligesom visse kvantegravitationsmodeller, potentielt omfatte mekanismer, der krænker ladningsbevarelsen.
"Pauli-udelukkelsesprincippet er matematisk afledt direkte fra den antisymmetriske egenskab ved fermioniske bølgefunktioner. Som i tilfældet med ladningsbevarelse kan dette blive krænket i en ramme, der ligger uden for standardmodellen," sagde Dr. Kim til Phys.org.
Hvordan hænger dette sammen med det arbejde, der udføres af MAJORANA-projektet? Majorana-partiklen, hvis den eksisterer, ville være dens egen partikel. Dette er i øjeblikket en ren formodning, men neutrinoen passer måske til beskrivelsen.
Neutrinoen er en meget undvigende partikel, hvilket gør det svært at opdage og studere dens egenskaber. En af de ting, forskerne ikke har været i stand til at fastslå, er, om det er sin egen antipartikel, dvs. en Majorana-partikel.
MAJORANA-projektet arbejder hen imod dette mål ved at søge efter en ultra-sjælden proces kendt som neutrinoløs dobbelt beta-henfald.
Beta-henfald er som tidligere nævnt en radioaktiv henfaldsproces. I denne proces henfalder neutroner til protoner, positroner (som er kendt som beta-partikler og er antielektronerne) og antineutrinoer.
MAJORANA DEMONSTRATOR består af meget rene germanium (Ge) detektorer dybt under jorden for at undgå stråling, såsom kosmiske stråler, der kan forstyrre den. Ge-detektorerne er meget følsomme over for energier, der frigives under disse beta-henfaldsreaktioner.
I et dobbelt beta-henfald har vi to beta-henfald, der sker samtidigt, og vi får to antineutrinoer sammen med protonerne og beta-partiklerne. Men i det neutrinolløse tilfælde ville vi ikke observere nogen neutrinoer, som navnet antyder.
Dette skyldes, at hvis neutrinoen var en Majorana-partikel, ville neutrinoen fra det ene beta-henfald annullere emissionerne fra antineutrinoen (fra det andet henfald), hvilket resulterede i ingen neutrino-emissioner, hvilket MAJORANA-demonstratoren er indstillet til at detektere.
Datasættet taget af detektorarrayet dannede grundlag for, at forskerne kunne studere grænserne for ladningsbevarelsen og Paulis udelukkelsesprincip.