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Prüfung der Beste-Schon Theorie der Natur

Published on June 24, 2010 at 9:26 PM

Die beste Theorie für das Erklären der subatomaren Welt erhielt seinen Anfang, im Jahre 1928 als Theoretiker Paul Dirac Quantenmechanik mit spezieller Relativität kombinierte, um das Verhalten des Elektrons zu erklären. Das Ergebnis war relativistische Quantenmechanik, die ein bedeutender Bestandteil in der Quantumsbereichtheorie wurde. Mit einigen Annahmen und ad hoc Einstellungen hat Quantumsbereichtheorie starkes genug geprüft, die Basis des StandardBaumusters der Partikel und der Kräfte zu bilden.

Zwei setzten Laserstrahlen entgegen, die außer Polarisation, Versuch, verbotene Zweiphoton Übergänge in einem Träger von Bariumatomen zu erregen identisch sind. (Bild Damon-Englisch)

„Allerdings, sollte an es erinnert werden, dass das StandardBaumuster keine abschließende Theorie aller Phänomene ist, und deshalb in sich selbst unvollständig ist,“ sagt Dmitry Budker, ein Personalwissenschaftler in der KernWissenschafts-Abteilung der US-Abteilung Nationalen Laboratoriums des Lawrence Berkeley der Energie und einen Professor von der Physik am Universität Von Kalifornien, Berkeley.

Budker ist lang an der Prüfung von breit geltenden Untermauerung der körperlichen Theorie zu ihren Grenzen interessiert worden. Im Punkt Am 25. Juni von Körperlichen Zusammenfassungs-Schreiben, berichten er und seine Kollegen über die rigorosesten Versuche dennoch einer grundlegenden Annahme über, wie Partikel auf der Atomschuppe sich benehmen.

Warum wir das Drehbeschleunigungstatistiken Theorem benötigen

„Wir prüften eine der bedeutenden theoretischen Säulen der Quantumsbereichtheorie, das Drehbeschleunigungstatistiken Theorem,“ sagt ehemaligen Studenten Damon Englisch, Budkers und einen promovierten wissenschaftlichen Mitarbeiter in Abteilung UCS von Physik, die das Experiment führte. „Im Wesentlichen baten wir, sind Photonen wirklich perfekte Bosons?“

Das Drehbeschleunigungstatistiken Theorem schreibt vor, dass alle Elementarteilchen in einen von zwei Baumustern, von Fermions oder von Bosons tarifiert werden müssen. (Die Namen kommen von den Statistiken, von der Fermi-Dirac-Statistik und von der Bose-Einstein Statistik, die ihr jeweiliges Verhalten. erklären)

Keine zwei Elektronen können im gleichen Quantumszustand sein. Zum Beispiel können keine zwei Elektronen in einem Atom identische Sets Quantumszahlen haben. Jede Mögliche Zahl von Bosons kann den gleichen Quantumszustand besetzen, jedoch; unter anderen Phänomenen ist dieses, was Laserstrahlen ermöglicht.

Elektronen, Neutronen, Protone und viele anderen Partikel des Stoffes sind Fermions. Bosons sind ein entschieden Mischbündel, das die Photonen der elektromagnetischen Kraft, die W- und Z-Bosons der schwachen Kraft umfaßt, und solche Stoffpartikel wie Deuteriumkerne, PU-Mesonen und ein Floss von anderen. Den Tumult in diesem Partikelzoo Gegeben, nimmt er das Drehbeschleunigungstatistiken Theorem, um mitzuteilen, was ein Fermion ist und was ein Boson ist.

Die Methode, mitzuteilen ihnen ist auseinander durch ihre Drehbeschleunigung - nicht die klassische Drehbeschleunigung von einer wirbelnden Oberseite aber vom tatsächlichen Drehimpuls, ein Quantumskonzept. Quantums-Drehbeschleunigung ist jede ganze Zahl (0, 1, 2…) oder halbe ganze Zahl, eine ungerade Zahl von Hälften (1/2, 3/2…). Bosons haben Drehbeschleunigung der ganzen Zahl. Fermions haben halbe Drehbeschleunigung der ganzen Zahl.

„Es gibt einen mathematischen Beweis des Drehbeschleunigungstatistiken Theorems, aber es ist Sie muss ein Berufsquantumsbereichtheoretiker sein so abstrus, zum es zu verstehen,“ sagt Budker. „Jeder Versuch, eine einfache Erklärung zu finden ist, sogar durch die Wissenschaftler ausgefallen, die Feynman so bemerkenswert sind wie Richard. Der Beweis selbst basiert auf Annahmen, irgendein ausdrückliches, subtiles einiges. Deshalb sind experimentelle Prüfungen wesentlich.“

Sagt Englisch, „, Wenn wir das Drehbeschleunigungstatistiken Theorem abreißen sollten, das ganze Gebäude der Quantumsbereichtheorie würde kommen, unten abbrechend mit ihm. Die Konsequenzen würden weit reichend sein und beeinflussen würden unsere Annahmen über die Zelle von Zeit-raum und von sogar Kausalität selbst.“

Auf der Suche nach verbotenen Übergängen

Englisch und Budker, arbeitend mit Valeriy Yashchuk, ein Personalwissenschaftler an der Fortgeschrittenen Lichtquelle Berkeley-Labors, dargelegt, um das Theorem zu prüfen durch die Anwendung von Laserstrahlen, um die Elektronen in den Bariumatomen zu erregen. Für Experimentatoren haben Bariumatome besonders bequeme Zweiphoton Übergänge, in denen zwei Photonen gleichzeitig absorbiert werden und zusammen zum Anheben der Elektronen eines Atoms zu einem Zustand der höheren Energie beitragen.

„Zwei-Photon Übergänge sind nicht selten,“ sagt Englisch, „aber, was sie unterschiedlich zu Einzelphoton Übergängen macht, ist, dass es zwei mögliche Pfade zu den abschließenden aufgeregten staats- zwei Pfaden geben kann, die durch die Ordnung sich unterscheiden, in der die Photonen während des Überganges absorbiert werden. Diese Pfade können behindern, vernichtend oder konstruktiv. Einer der Faktoren, der bestimmt, ob die Störung konstruktiv oder destruktiv ist, ist, ob Photonen sind Bosons oder Fermions.“

Im bestimmten Barium Zweiphoton Übergang verbietet die verwendeten Forscher, das Drehbeschleunigungstatistiken Theorem den Übergang, wenn die zwei Photonen die gleiche Wellenlänge haben. Diese verbotenen Zweiphoton Übergänge werden durch jeden bekannten Erhaltungssatz ausgenommen das Drehbeschleunigungstatistiken Theorem erlaubt. Welches Englisch, Yashchuk und Budker suchten, waren Ausnahmen zu dieser Regel oder, wie Englisch sie setzt, „die Bosons, die wirken wie Fermions.“

Das Experiment beginnt mit einem Strom von Bariumatomen; zwei Lasern werden es von den Gegenseiten angestrebt, zum von den unerwünschten Effekten zu verhindern, die mit Atomrückzug verbunden sind. Die Laser werden justiert, zur gleichen Frequenz aber haben gegenüber von Polarisation, die notwendig ist, um Drehimpuls zu konservieren. Wenn verbotene Übergänge durch zwei Gleichwellenlänge Photonen von den zwei Lasern verursacht wurden, würden sie entdeckt, wenn die Atome eine bestimmte Farbe der Leuchtstoffleuchte ausstrahlen.

Die Forscher sorgfältig und wiederholt justiert durch die Region, in der verbotene Zweiphoton Übergänge, wenn irgendwelche aufzutreten waren, sich aufdecken würden. Sie entdeckten nichts. Diese zwingenden Ergebnisse begrenzen die Wahrscheinlichkeit, dass alle mögliche zwei Photonen das Drehbeschleunigungstatistiken Theorem verletzen konnten: die Möglichkeiten, dass zwei Photonen in einem fermionic Zustand sind nicht besser als eins in hundert Milliarde - bei weitem die empfindlichste Prüfung dennoch an der niedrigen Energie sind, die möglicherweise gut empfindlicher als ähnlicher Beweis von energiereichen Partikel Colliders ist.

Budker hebt, dass dieses „ein wahres Tischplatteexperiment war hervor, fähig, beträchtliche Entdeckungen in der Teilchenphysik zu machen, ohne Milliarden Dollar auszugeben.“ Sein Prototyp wurde ursprünglich von Budker und von David DeMille, jetzt bei Yale geplant, der im Jahre 1999 waren, die Wahrscheinlichkeit von den Photonen schwer zu begrenzen, die in einem „falschen“ sind (fermionic) Zustand. Das späteste Experiment, geleitet bei Uc Berkeley, wendet eine weiter entwickelte Methode an und verbessert auf dem früheren Ergebnis durch mehr als drei Größenordnungen.

„Wir halten zu schauen, weil experimentelle Prüfungen an der ständig steigenden Empfindlichkeit durch die grundlegende Bedeutung der Quantenstatistik motiviert werden,“ sagen Budker. „Der Drehbeschleunigungstatistiken Anschluss ist eine der grundlegendsten Annahmen in unserem Verständnis der grundlegenden Naturgesetze.“

„Spektralanalytische Prüfung der Bose-Einstein Statistik für Photonen,“ durch Damon-Englisch, Valeriy Yashchuk und Dmitry Budker, sieht im Punkt Am 25. Juni von Körperlichen Zusammenfassungs-Schreiben und sein erhältliches aus online. Die Forschung wurde durch die National Science Foundation unterstützt.

Last Update: 12. January 2012 01:40

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