Forskere ved MAJORANA Collaboration leder efter regelovertrædende elektroner

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."

Symmetrier, konserveringer og Majorana-partikler

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-forfald og underjordiske detektorer

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.

Test af grænserne

Forskerne fokuserede på tre scenarier, hvor det første testede ladningsbevarelse og de to andre testede Paulis udelukkelsesprincip.

Lad os starte med den første test:ladning ikke-konservering. I dette scenarie udforskede forskerne elektronhenfald i et Ge-atom. Hvis en elektron skulle henfalde, ville den efterlade et tomrum i atomets orbital, som er fyldt med en elektron fra en anden orbital.

Denne proces resulterer i emission af en foton eller røntgenstråle, hvilket indikerer, at ladningen er afbalanceret. Men den manglende emission tyder på, at ladningen ikke bevares.

I tilfældet med Paulis udelukkelsesprincip fokuserede forskerne på type I og type III interaktioner af fermioner (i dette tilfælde elektroner).

I type I-interaktioner har vi interaktion mellem en nyskabt elektron og et system af fermioner. Denne elektron er skabt ved hjælp af parproduktion fra gammastråler.

Målet var nu at observere, om denne nyskabte elektron ville optage en fuldstændigt fuldført atomorbital (som det er tilfældet for Ge-atomer), hvilket er i strid med Paulis udelukkelsesprincip om fermioner, der indtager samme tilstand. Hvis dette virkelig skete, ville de observere en røntgenstråling.

For det endelige scenarie, type III-interaktioner, er interaktionerne mellem fermioner i det samme system, dvs. elektroner i Ge-atomet. Hvis en elektron uventet skulle gå fra sin orbital til en anden fyldt orbital, ville der blive udsendt en foton eller røntgenstråle, og Paulis princip ville være i strid.

Indstilling af nye begrænsninger og dannelse af LEGEND

Forskerne fandt ud af, at alle tre scenarier forløb, som de skulle, uden overtrædelser.

"Vi fandt ingen beviser for, at principperne er overtrådt, og sætter strengere grænser for nye teorier om fysik. Ladningsbevaringsgrænsen er den strengeste af sin art siden 1999," sagde Dr. Wiseman.

Den grænse, Dr. Wiseman henviser til her, er den gennemsnitlige levetid for elektronen, der henfalder til tre neutrinoer (eller mørkt stof), som de fastslog til at være større end 2,83 × 10 ²⁵ år, hvilket indikerer elektronernes høje stabilitet.

Yderligere tilføjede Dr. Kim:"Vores konstatering af ingen signatur tyder på, at disse to principper holder meget høj præcision - i det mindste i det omfang, som den nuværende avancerede teknologi kan detektere. Dette styrker yderligere vores tillid til gyldigheden af ​​disse principper."

MAJORANA DEMONSTRATOR-datasættet viste sig at være utroligt alsidigt. Eksperimentet udvides ved at danne et større samarbejde kaldet LEGEND ved at fusionere med en anden Ge-baseret detektor, Gerda.

"Ved at betjene højopløselige germaniumdetektorer i et ultrarent miljø, vil LEGEND yderligere undersøge forskellige uventede signaturer uden for standardmodellens fysik," sagde Dr. Kim.

Dr. Wiseman afsluttede med at sige:"De nuværende resultater validerer kvantemekanikkens nøjagtighed og giver strengere begrænsninger for fremtidige bestræbelser på at konstruere nye teorier om fysik. Dette vil kræve mere fantasi, eller som Feynman udtrykte det:fantasi i en spændetrøje."

Flere oplysninger: Søg efter brud på ikke-bevaring og Pauli-udelukkelsesprincippet med Majorana Demonstrator, Nature Physics (2024). DOI:10.1038/s41567-024-02437-9

Alessio Porcelli, Søg efter regelbrydende elektroner, Naturfysik (2024). DOI:10.1038/s41567-024-02448-6

Journaloplysninger: Naturfysik , Natur

© 2024 Science X Network