Durante décadas, los físicos han buscado un modelo de gravedad cuántica que unifique la física cuántica, las leyes que rigen lo muy pequeño y la gravedad. Un obstáculo importante ha sido la dificultad de probar experimentalmente las predicciones de los modelos candidatos. Sin embargo, algunos de los modelos predicen un efecto que se puede estudiar en el laboratorio: una violación muy pequeña de un teorema cuántico fundamental llamado Principio de exclusión de Pauli, que rige, por ejemplo, cómo se organizan los electrones en los átomos. Un proyecto financiado por FQXi llevado a cabo en los laboratorios subterráneos de INFN debajo de las montañas Gran Sasso en Italia ha estado buscando señales de radiación producida por tales lesiones en forma de uniones atómicas gobernadas por el principio de exclusión de Pauli prohibidas. En dos artículos aparecidos en las revistas Cartas de verificación física (publicado el 19 de septiembre de 2022) y Verificación física D (aceptado para su publicación el 7 de diciembre de 2022)El equipo informa que hasta el momento no se han encontrado pruebas de ruptura, lo que descarta algunos modelos de gravedad cuántica.

Durante décadas, los físicos han buscado un modelo de gravedad cuántica que unifique la física cuántica, las leyes que rigen lo muy pequeño y la gravedad. Un obstáculo importante ha sido la dificultad de probar experimentalmente las predicciones de los modelos candidatos. Sin embargo, algunos de los modelos predicen un efecto que se puede estudiar en el laboratorio: una violación muy pequeña de un teorema cuántico fundamental llamado Principio de exclusión de Pauli, que rige, por ejemplo, cómo se organizan los electrones en los átomos. Un proyecto financiado por FQXi llevado a cabo en los laboratorios subterráneos de INFN debajo de las montañas Gran Sasso en Italia ha estado buscando señales de radiación producida por tales lesiones en forma de uniones atómicas gobernadas por el principio de exclusión de Pauli prohibidas. En dos artículos aparecidos en las revistas Cartas de verificación física (publicado el 19 de septiembre de 2022) y Verificación física D (aceptado para su publicación el 7 de diciembre de 2022)El equipo informa que hasta el momento no se han encontrado pruebas de ruptura, lo que descarta algunos modelos de gravedad cuántica.

“Tú, yo, somos el principio de exclusión de Pauli. El hecho de que no podamos escalar paredes es otra consecuencia”, dice Curceanu.

«El principio de exclusión de Pauli es el pilar principal de nuestra comprensión de la estructura de la materia y su estabilidad», dice Catalina Curceanu, miembro del grupo de expertos en física, el Instituto de Preguntas Fundamentales, FQXi, y físico principal de los experimentos en INFN. , Italia. En las lecciones de química de la escuela nos enseñan que los electrones en los átomos solo pueden organizarse de una manera muy específica, lo que resulta ser una consecuencia del principio de exclusión de Pauli. En el centro del átomo está el núcleo, rodeado de orbitales que contienen electrones. Por ejemplo, el primer orbital solo puede contener dos electrones. El Principio de Exclusión de Pauli, formulado por el físico austriaco Wolfang Pauli en 1925, establece que dos electrones no pueden tener el mismo estado cuántico; Entonces, en el primer orbital de un átomo, los dos electrones tienen «espines» en direcciones opuestas (una propiedad cuántica intrínseca generalmente representada como un eje de rotación que apunta hacia arriba o hacia abajo, aunque no existe un eje literal en el electrón). El feliz resultado de esto para el hombre es que la materia no puede pasar a través de otra materia. «Es omnipresente: tú, yo, nos basamos en el principio de exclusión de Pauli», dice Curceanu. «El hecho de que no podamos cruzar paredes es otra consecuencia práctica».

El principio se extiende a todas las partículas elementales pertenecientes a la misma familia que los electrones, llamadas fermiones, y se derivó matemáticamente de un teorema fundamental conocido como el teorema de las estadísticas de espín. También se ha confirmado experimentalmente, hasta ahora, y parece ser válido para todos los fermiones en las pruebas. El principio de exclusión de Pauli es uno de los teoremas centrales del modelo estándar de la física de partículas.

violación del principio

Pero algunos modelos especulativos de la física que van más allá del Modelo Estándar sugieren que el principio podría violarse. Los físicos han estado buscando una teoría fundamental de la realidad durante décadas. El Modelo Estándar es excelente para explicar el comportamiento de partículas, interacciones y procesos cuánticos a escala micro. Sin embargo, no incluye la gravedad. Por lo tanto, los físicos han intentado desarrollar una teoría unificadora de la gravedad cuántica, algunas de las cuales predicen que varias propiedades que sustentan el modelo estándar, como el principio de exclusión de Pauli, pueden violarse en circunstancias extremas. «Muchas de estas violaciones ocurren naturalmente en las teorías y modelos de gravedad cuántica llamados ‘no conmutativos’, como los que hemos examinado en nuestro trabajo», dice Curceanu. Uno de los candidatos más populares para los sistemas de gravedad cuántica es la teoría de cuerdas, que describe las partículas fundamentales como diminutos filamentos de energía que vibran en espacios multidimensionales. Algunos modelos de teoría de cuerdas también predicen tal violación.

«El análisis que informamos contradice algunos hallazgos concretos de la gravedad cuántica», dice Curceanu.

Tradicionalmente se ha pensado que tales predicciones son difíciles de probar, ya que la gravedad cuántica generalmente solo se vuelve relevante en arenas donde una gran cantidad de gravedad se concentra en un espacio pequeño: piense en el centro de un agujero negro o el comienzo del universo. Sin embargo, Curceanu y sus colegas reconocieron que podría haber un efecto sutil, una señal de que se violaron el principio de exclusión y el teorema de la estadística de espín, que podría detectarse en experimentos de laboratorio en la Tierra.

En las profundidades de las montañas Gran Sasso, cerca de la ciudad de L’Aquila, en Italia, el equipo de Curceanu está trabajando en el experimento principal VIP-2 (violación del principio de Pauli). El corazón del aparato es un grueso bloque de plomo romano con un detector de germanio cercano capaz de detectar pequeñas señales de radiación que emanan del plomo. La idea es que cuando se viola el principio de exclusión de Pauli, se produce una transición atómica prohibida dentro del plomo romano, que produce un haz de rayos X con una señal de energía distinta. Este haz de rayos X puede ser captado por el detector de germanio.

silencio cósmico

El laboratorio debe estar ubicado bajo tierra porque la firma de radiación de tal proceso es tan débil que, de lo contrario, sería ahogada por el fondo general de rayos cósmicos en la Tierra. «Nuestro laboratorio proporciona lo que se llama ‘silencio cósmico’, en el sentido de que el Monte Gran Sasso reduce el flujo de rayos cósmicos en un millón de veces», dice Curceanu. Pero eso solo no es suficiente. «Nuestra señal tiene una tasa potencial de solo uno o dos eventos por día o menos», dice Curceanu. Esto significa que los materiales utilizados en el experimento deben ser «radio-limpios», es decir, no deben emitir ninguna radiación y el aparato debe estar protegido de la radiación de la roca de la montaña y la radiación del subsuelo.

«Lo que es extremadamente emocionante es que podemos estudiar algunos modelos de gravedad cuántica con un nivel de precisión tan alto que es imposible con los aceleradores actuales», dice Curceanu.

en su ultimo Cartas de verificación física artículo, publicado en septiembre, y en un artículo de seguimiento en Verificación física D (asumido en diciembre), el equipo informa que no encontró evidencia de una violación del Principio de Pauli. «La financiación de FQXi fue fundamental para el desarrollo de las técnicas de análisis de datos», dice Curceanu. Esto permitió al equipo establecer límites en el tamaño de las posibles lesiones y les ayudó a restringir algunos modelos de gravedad cuántica propuestos. En particular, el equipo analizó las predicciones del llamado modelo ‘theta-Poincaré’ y pudo descartar algunas versiones del modelo en la escala de Planck (la escala en la que se rompen las leyes clásicas conocidas de la gravedad). Además, «el análisis que informamos contradice algunos hallazgos concretos de la gravedad cuántica», dice Curceanu.

El equipo ahora planea extender su investigación a otros modelos de gravedad cuántica con los compañeros teóricos Antonino Marcianò de la Universidad de Fudan y Andrea Addazi de la Universidad de Sichuan, ambos en China. «En el aspecto experimental, utilizaremos nuevos materiales de destino y nuevos métodos de análisis para buscar señales débiles para descubrir el tejido del espacio-tiempo», dice Curceanu.

«Lo que es extremadamente emocionante es que podemos estudiar algunos modelos de gravedad cuántica con una precisión tan alta que es imposible con los aceleradores actuales», agrega Curceanu. «Este es un gran salto, tanto desde un punto de vista teórico como experimental».

Este trabajo fue apoyado en parte por el programa Conciencia en el Mundo Físico de FQXi. Para obtener más información sobre la beca del equipo, consulte el artículo de FQXi, «¿Podemos sentir lo que es ser cuántico?» de BrendanFoster.

referencia de revista, prl: Límites más fuertes de física atómica en modelos de gravedad cuántica no conmutativos

referencia de revista, PRD: Prueba experimental de gravedad cuántica no conmutativa por plomo VIP-2; Preimpresión disponible.

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dr. Curceanu agradece al laboratorio subterráneo INFN Gran Sasso, INFN-LNGS y su director Ezio Previtali, al personal de LNGS y al Laboratorio de Radiactividad de Bajo Nivel por las actividades experimentales dedicadas a la búsqueda de señales que violan PEP.


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