В новом исследовании, опубликованном в журнале Nature Physics, ученые из коллаборации MAJORANA проверили строгость сохранения заряда и принципов Паули, используя подземные детекторы. Алессио Порчелли опубликовал в том же журнале статью News & Views об исследовании.
Сегодня Стандартная модель физики элементарных частиц является одним из двух столпов, на которых держится современная физика. Он успешно объясняет три из четырех фундаментальных сил и поведение субатомных частиц.
Принцип исключения Паули и сохранение заряда — два принципа, вытекающие из симметрии Стандартной модели. Они выдержали множество теоретических испытаний и неоднократно доказывали свою эффективность до такой степени, что стали считаться аксиоматическими.
Теперь исследователи полагают, что небольшие нарушения этих принципов могут привести к появлению физики, выходящей за рамки Стандартной модели, например к появлению экзотических форм материи.
Коллаборация MAJORANA – один из таких экспериментов. Целью проекта является изучение безнейтринного двойного бета-распада, типа радиоактивного распада, в надежде установить, являются ли нейтрино майорановскими частицами.
Исследование является результатом международного сотрудничества ученых, в том числе доктора Клинта Уайзмана из Вашингтонского университета и доктора Инвука Кима из Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса в Калифорнии, которые являются соавторами исследования Nature.
В беседе с Phys.org доктор Уайзман поделился своей мотивацией этого занятия: «Когда я впервые изучал квантовую механику, меня учили подвергать сомнению вещи, представленные как незыблемые принципы. Принципы квантовой механики — основа Стандартной модели — в значительной степени укоренились в нас, потому что они подтверждали свою истинность снова и снова.
«Поскольку мы ищем области новой физики для исследования в 21 веке, возможно, стоит вернуться к этим принципам и попытаться раздвинуть границы их правильности».
Симметрии, сохранения и майорановские частицы
Глубокую связь между симметрией и законами сохранения открыла математик Эмми Нётер. Согласно теореме Нётер, каждый закон сохранения глубоко связан с лежащей в его основе симметрией в природе.
«Наша неспособность создавать или уничтожать заряд, не принимая во внимание его где-либо еще, связана с симметрией такого рода. Неспособность более двух электронов находиться в одном и том же квантовом состоянии представляет собой столь же важную антисимметрию природы, которая играет существенную роль в крупномасштабное поведение атомной материи», — объяснил доктор Уайзман.
Если бы было доказано, что эти принципы нарушены, это означало бы нарушение фундаментальных симметрий.
«Тот факт, что фотоны экспериментально подтверждены как безмассовые, часто считается доказательством того, что сохранение заряда в принципе справедливо. Однако теоретические расширения Стандартной модели, такие как некоторые модели квантовой гравитации, потенциально могут включать механизмы, нарушающие сохранение заряда.
«Принцип Паули математически выводится непосредственно из антисимметричного свойства фермионных волновых функций. Как и в случае с сохранением заряда, это может быть нарушено в рамках, выходящих за рамки стандартной модели», — рассказал доктор Ким Phys.org.
Как это связано с работой, проводимой проектом MAJORANA? Частица Майорана, если бы она существовала, была бы своей собственной частицей. На данный момент это всего лишь предположение, но нейтрино может соответствовать этому описанию.
Нейтрино — очень неуловимая частица, что затрудняет обнаружение и изучение ее свойств. Одна из вещей, которую ученые не смогли установить, это то, является ли это собственной античастицей, т. е. майорановской частицей.
Проект MAJORANA работает над достижением этой цели, занимаясь поиском ультраредкого процесса, известного как безнейтринный двойной бета-распад.
Бета-распад и подземные детекторы
Бета-распад, как упоминалось ранее, представляет собой процесс радиоактивного распада. В этом процессе нейтроны распадаются на протоны, позитроны (которые известны как бета-частицы и являются антиэлектронами) и антинейтрино.
ДЕМОНСТРАТОР МАЙОРАНЫ состоит из детекторов из очень чистого германия (Ge), расположенных глубоко под землей, чтобы избежать излучений, таких как космические лучи, которые могут ему помешать. Детекторы Ge очень чувствительны к энергиям, выделяющимся во время реакций бета-распада.
При двойном бета-распаде одновременно происходят два бета-распада, и мы получаем два антинейтрино вместе с протонами и бета-частицами. Однако в безнейтринном случае мы бы не наблюдали нейтрино, как следует из названия.
Это связано с тем, что если бы нейтрино было частицей Майораны, нейтрино от одного бета-распада нейтрализовало бы выбросы антинейтрино (от другого распада), в результате чего не было бы выбросов нейтрино, которые должен обнаружить демонстратор MAJORANA.
Набор данных, полученный матрицей детекторов, послужил для исследователей основой для изучения пределов сохранения заряда и принципа исключения Паули.
Тестирование пределов
Исследователи сосредоточились на трех сценариях: первый проверял сохранение заряда, а два других проверяли принцип исключения Паули.
Начнем с первого теста: несохранения заряда. В этом сценарии исследователи изучали распад электрона внутри атома Ge. Если бы электрон распался, на орбитали атома осталась бы вакансия, которая заполнялась бы электроном с другой орбитали.
Этот процесс приводит к испусканию фотона или рентгеновского излучения, что указывает на то, что заряд сбалансирован. Однако отсутствие эмиссии будет указывать на несохранение заряда.
В случае принципа запрета Паули исследователи сосредоточились на взаимодействиях фермионов типа I и типа III (в данном случае электронов).
При взаимодействиях типа I мы имеем взаимодействие между вновь созданным электроном и системой фермионов. Этот электрон создается путем образования пар из гамма-лучей.
Целью теперь было наблюдать, будет ли этот вновь созданный электрон занимать полностью завершенную атомную орбиталь (как в случае с атомами Ge), нарушая принцип Паули о том, что фермионы занимают одно и то же состояние. Если бы это действительно произошло, они бы наблюдали рентгеновское излучение.
В последнем сценарии, взаимодействиях типа III, взаимодействия происходят между фермионами одной и той же системы, т.е. электронами внутри атома Ge. Если бы электрон неожиданно перешел со своей орбитали на другую заполненную орбиталь, был бы испущен фотон или рентгеновские лучи, и принцип Паули был бы нарушен.
Установка новых ограничений и формирование ЛЕГЕНДЫ
Исследователи обнаружили, что все три сценария сработали так, как и предполагалось, без каких-либо нарушений.
«Мы не обнаружили никаких доказательств того, что эти принципы нарушаются, что устанавливает более строгие ограничения для новых теорий физики. Предел сохранения заряда является самым строгим в своем роде с 1999 года», — сказал доктор Уайзман.
Предел, о котором здесь говорит доктор Уайзман, — это среднее время жизни электрона, распадающегося на три нейтрино (или темной материи), которое, как они установили, превышает 2,83 × 10 25 лет, что указывает на высокую стабильность электронов.
Далее, доктор Ким добавил: «Наше обнаружение отсутствия сигнатуры предполагает, что эти два принципа соблюдаются с очень высокой точностью — по крайней мере, в той степени, которую могут обнаружить современные технологии. Это еще больше укрепляет нашу уверенность в обоснованность этих принципов».
Набор данных MAJORANA DEMONSTRATOR оказался невероятно универсальным. Эксперимент расширяется за счет формирования более крупного сотрудничества под названием LEGEND путем слияния с другим детектором на основе Ge, Gerda.
«Используя германиевые детекторы высокого разрешения в сверхчистой среде, LEGEND продолжит исследовать различные неожиданные сигнатуры, выходящие за рамки физики Стандартной модели», — сказал доктор Ким.
В заключение доктор Уайзман сказал: «Текущие результаты подтверждают точность квантовой механики и накладывают более строгие ограничения на будущие усилия по созданию новых физических теорий. Это потребует большего воображения, или, как выразился Фейнман: воображения в смирительной рубашке».
Теги: ква, нейтрино, фотон
