Italienisches Untergrundlabor sucht nach Signalen der Quantengravitation

Seit Jahrzehnten suchen Physiker nach einem Modell der Quantengravitation, das die Quantenphysik, die Gesetze des unendlich Kleinen und die Gravitation vereinen würde. Ein Haupthindernis war die Schwierigkeit, die Vorhersagen der Kandidatenmodelle experimentell zu testen. Einige der Modelle sagen jedoch einen Effekt voraus, der im Labor untersucht werden kann: eine sehr kleine Verletzung eines grundlegenden Quantenprinzips namens Pauli-Ausschlussprinzip, das beispielsweise bestimmt, wie Elektronen in Atomen angeordnet sind.

Ein Projekt in den unterirdischen Labors des INFN unter den Bergen des Gran Sasso in Italien suchte nach Anzeichen von Strahlung, die durch eine solche Verletzung in Form von atomaren Übergängen erzeugt wird, die durch das Pauli-Ausschlussprinzip verboten sind.

In zwei in Zeitschriften veröffentlichten Artikeln Briefe zur körperlichen Untersuchung (veröffentlicht am 19. September 2022) und Körperliche Untersuchung D (zur Veröffentlichung angenommen am 7. Dezember 2022) berichtet das Team, dass bisher keine Hinweise auf einen Verstoß gefunden wurden, was einige Modelle der Quantengravitation ausschließt.

Im schulischen Chemieunterricht wird uns beigebracht, dass sich Elektronen in Atomen nur auf ganz bestimmte Weise organisieren können, was sich als Folge des Pauli-Ausschlussprinzips herausstellt. Im Zentrum des Atoms befindet sich der Atomkern, umgeben von Orbitalen, mit Elektronen. Das erste Orbital kann beispielsweise nur zwei Elektronen aufnehmen. Das Pauli-Ausschlussprinzip, formuliert vom österreichischen Physiker Wolfang Pauli im Jahr 1925, besagt, dass zwei Elektronen nicht gleich sein können wie viele geben an; Daher haben die beiden Elektronen im ersten Orbital eines Atoms entgegengesetzte “Spins” (eine quanteninterne Eigenschaft, die normalerweise als Rotationsachse dargestellt wird, die nach oben oder unten zeigt, obwohl im Elektron keine wörtliche Achse existiert).

Das glückliche Ergebnis davon für den Menschen ist, dass Materie andere Materie nicht passieren kann. „Es ist überall – du, ich, wir basieren auf Paulis Ausschlussprinzip“, sagt Catalina Curceanu, Mitglied der Denkfabrik für Physik, Foundational Questions Institute, FQXi, und Chefphysikerin für Experimente am INFN, Italien. “Dass wir nicht durch Wände gehen können, ist eine weitere praktische Konsequenz.”

Das Prinzip erstreckt sich auf alle Elementarteilchen gehören zur gleichen Familie wie Elektronen, Fermionen genannt, und wurden mathematisch aus einem fundamentalen Theorem abgeleitet, das als Spin-Statistik-Theorem bekannt ist. Es wurde auch experimentell bestätigt – bisher – dass es in Tests für alle Fermionen gültig erscheint. Das Pauli-Ausschlussprinzip ist eines der Grundprinzipien des Standardmodells der Teilchenphysik.

Verstoß gegen das Prinzip

Aber einige spekulative Modelle der Physik, die über das Standardmodell hinausgehen, legen nahe, dass das Prinzip verletzt werden könnte. Seit Jahrzehnten suchen Physiker nach einer grundlegenden Theorie der Realität. Das Standardmodell eignet sich hervorragend, um das Verhalten von Teilchen, Wechselwirkungen und Quantenprozesse auf mikroskopischer Ebene zu erklären. Es umfasst jedoch nicht die Schwerkraft.

Daher haben Physiker versucht, eine einheitliche Theorie der Quantengravitation zu entwickeln, von der einige Versionen vorhersagen, dass verschiedene Eigenschaften der Gravitation zugrunde liegen Standardmodellwie das Ausschlussprinzip von Pauli, im Extremfall verletzt werden können.

„Viele dieser Verletzungen treten auf natürliche Weise in sogenannten ‚nicht-kommutativen‘ Quantengravitationstheorien und -modellen auf, wie denjenigen, die wir in unseren Arbeiten untersucht haben“, sagt Curceanu. Einer der beliebtesten Rahmen für die Quantengravitation ist die Stringtheorie, die Elementarteilchen als winzige Energiefäden beschreibt, die in multidimensionalen Räumen schwingen. Einige Modelle der Stringtheorie sagen ebenfalls eine solche Verletzung voraus.

„Die von uns berichtete Analyse widerspricht einigen konkreten Erkenntnissen der Quantengravitation“, sagt Curceanu.

Es wird traditionell angenommen, dass es schwierig ist, solche Vorhersagen zu überprüfen, da die Quantengravitation im Allgemeinen nur in Arenen relevant wird, in denen eine enorme Menge an Schwerkraft auf engstem Raum konzentriert ist – denken Sie an das Zentrum eines Schwarzen Lochs oder den Beginn des Universums .

Curceanu und seine Kollegen erkannten jedoch, dass es einen subtilen Effekt geben könnte – eine Signatur, die darauf hinweist, dass das Ausschlussprinzip und das Spin-Statistik-Theorem verletzt wurden – der in Laborexperimenten auf der Erde nachgewiesen werden könnte.

Tief in den Bergen des Gran Sasso, in der Nähe der Stadt L’Aquila, Italien, arbeitet das Curceanu-Team am Hauptexperiment VIP-2 (Verletzung des Pauli-Prinzips). Das Herzstück des Geräts ist ein dicker Block römischen Bleis mit einem Germaniumdetektor in der Nähe, der kleine Anzeichen von Strahlung erkennen kann, die vom Blei ausgeht.

Die Idee ist, dass, wenn das Ausschlussprinzip von Pauli verletzt wird, ein verbotener atomarer Übergang im römischen Draht stattfindet, der einen Röntgenstrahl mit einem deutlichen Energiesignal erzeugt. Dieser Röntgenstrahl kann vom Germanium-Detektor aufgenommen werden.

kosmische Stille

Das Labor muss unterirdisch untergebracht werden, da die Strahlungssignatur eines solchen Prozesses so schwach sein wird, dass sie sonst von der allgemeinen Hintergrundstrahlung auf der Erde durch kosmische Strahlung übertönt würde. „Unser Labor sorgt für die sogenannte ‚kosmische Stille‘, indem der Berg Gran Sasso den Fluss der kosmischen Strahlung millionenfach reduziert“, erklärt Curceanu. Dies allein reicht jedoch nicht aus.

“Unser Signal hat eine mögliche Rate von nur einem oder zwei Ereignissen pro Tag oder weniger”, sagt Curceanu. Das bedeutet, dass die im Experiment verwendeten Materialien selbst „radiorein“ sein müssen – also selbst keine Strahlung abgeben dürfen – und das Gerät vor der Strahlung, Berggestein und Strahlung aus dem Untergrund abgeschirmt sein muss.

„Was enorm aufregend ist, ist, dass wir bestimmte Modelle der Quantengravitation mit so hoher Präzision untersuchen können, was mit aktuellen Beschleunigern unmöglich ist“, sagt Curceanu.

In ihren jüngsten Papieren berichtet das Team, dass sie keine Beweise dafür gefunden haben, dass das Pauli-Prinzip verletzt wurde. „Die FQXi-Finanzierung war grundlegend für die Entwicklung der Datenanalysetechniken“, sagt Curceanu. Dies ermöglichte es dem Team, die Größe eines möglichen Bruchs zu begrenzen, und half ihnen, einige vorgeschlagene Quantengravitationsmodelle einzuschränken.

Insbesondere analysierte das Team die Vorhersagen des sogenannten „Theta-Poincaré“-Modells und konnte bestimmte Versionen des Modells auf der Planck-Skala (der Skala, auf der die bekannten klassischen Gesetze der Schwerkraft zusammenbrechen) ausschließen. Darüber hinaus “widerspricht die von uns berichtete Analyse einigen konkreten Erkenntnissen der Quantengravitation”, sagt Curceanu.

Das Team plant nun, seine Forschung zusammen mit den Theoretikern Antonino Marcianò von der Fudan-Universität und Andrea Addazi von der Sichuan-Universität, beide in China, auf andere Modelle der Quantengravitation auszudehnen. „Auf der experimentellen Seite werden wir neue Zielmaterialien und neue Analysemethoden verwenden, um nach schwachen Signalen zu suchen, um das Gewebe der Raumzeit aufzudecken“, sagt Curceanu.

„Äußerst spannend ist, dass wir bestimmte Quantengravitationsmodelle mit so hoher Präzision untersuchen können, was mit aktuellen Beschleunigern unmöglich ist“, fügt Curceanu hinzu. “Es ist ein großer Schritt nach vorne, sowohl theoretisch als auch experimentell.”