Testaus Best-vielä Theory of Nature

Published on June 24, 2010 at 9:26 PM

Paras teoria selittää atomia maailma sai alkunsa vuonna 1928, kun teoreetikko Paul Dirac yhdistää kvanttimekaniikan erityistä Suhteellisuusteoria selittää käyttäytymistä elektronin. Tuloksena oli relativistinen kvanttimekaniikka, josta tuli tärkeä ainesosa quantum alalla teoriassa. Muutamia oletuksia ja ad hoc-oikaisut, quantum alalla teoria on osoittautunut tarpeeksi tehokas pohjana vakiomallin hiukkaset ja voimat.

Kaksi vastusti lasersäteitä, samanlaisia, paitsi että polarisaation, yritä kiihottaa kielletty kahden fotonin siirtymien säde barium atomien. (Image Damon Englanti)

"Silti on muistettava, että standardi malli ei ole lopullinen teoria kaikkien ilmiöiden, ja on siis luonnostaan ​​epätäydellistä", sanoo Dmitri Budker, henkilökunta tiedemies Nuclear Science Division Yhdysvaltain energiaministeriön Lawrence Berkeley National Laboratoryn ja fysiikan professori Kalifornian yliopistossa Berkeleyssä.

Budker on jo pitkään ollut kiinnostunut testaus laajalti hyväksytty perustuksista fyysinen teoria äärirajoilleen. Vuonna 25 kesäkuu kysymys Physical Review Letters, hän ja hänen kollegansa raportti tiukin trials vielä perusoikeuden oletus siitä, miten hiukkaset käyttäytyvät atomitasolla.

Miksi tarvitsemme spin-tilastot lause

"Testasimme yksi suurimmista teoreettinen pilaria quantum alalla teoriassa, spin-tilastot lause", sanoo Damon Englanti, Budker n entinen oppilas ja post doc-tutkijana UC fysiikan laitos, joka johti kokeilun. "Pohjimmiltaan me kyselivät, ovat fotonit todella täydellinen bosonit?"

Spin-tilastot lause sanelee, että kaikista olennaisista hiukkaset on luokiteltava johonkin kahteen tyyppiin, fermionit tai bosonit. (Nimet tulevat tilastot, Fermi-Dirac tilastot ja Bose-Einstein tilastot, jotka selittävät niiden käyttäytymistä.)

Ei kaksi elektronia voi olla samassa kvanttitilassa. Esimerkiksi mitkään kaksi elektronia atomi voi olla sama sarjaa quantum numeroita. Mikä tahansa määrä bosonit voi viedä saman kvanttitilassa kuitenkin; muun ilmiöitä, tämä on mitä tekee lasersäteitä mahdollista.

Elektronit, neutronit, protonit, ja monia muita hiukkasia asia on fermionit. Bosonit ovat selvästi sekoitettu nippu, joka sisältää fotonit sähkömagneettinen voima, W ja Z bosonit on heikko voima, eikä asiaa hiukkasia kuin deuterium ytimiä, pi mesons, ja roppakaupalla muita. Koska sekasorrossa tässä hiukkanen eläintarhassa, se vie spin-tilastot lause kertomaan mitä Fermion ja mitä bosoni.

Tapa erottaa toisistaan ​​on niiden spin - ei klassinen spin whirling alkuun mutta luontainen impulssimomentti, kvantti käsite. Quantum spin on joko kokonaisluku (0, 1, 2 ...) tai puoli kokonaisluku, pariton määrä puolikkaat (1 / 2, 3 / 2 ...). Bosonit on kokonaisluku spin. Fermionit on puoli kokonaisluku spin.

"On matemaattinen todiste spin-tilastot lause, mutta se on niin vaikeaselkoista sinun täytyy olla ammatillinen kvantti alan teoreetikko ymmärtää sitä", sanoo Budker. "Jokainen yrittää löytää yksinkertainen selitys on epäonnistunut, jopa tiedemiehet erotukseksi kuin Richard Feynman. Todiste itsessään perustuu oletuksiin, jotkut nimenomaista, joissa on hienovaraisia. Siksi kokeellisia testit ovat välttämättömiä. "

Sanoo Englanti, "Jos me kaataa spin-tilastot lause, koko rakennelma quantum alalla teoria romahti sen kanssa. Seuraukset olisivat kauaskantoisia, jotka vaikuttavat oletukset rakenteesta aika-avaruuden ja jopa syy itse. "

Etsimässä kielletty siirtymiä

Englanti ja Budker, työskentely Valeriy Yashchuk, henkilökunta tutkija Berkeley Lab Advanced Light Source, esitetään testata teoreeman avulla lasersäteet kiihottaa elektroneja barium atomien. Saat kokeilijat, barium atomit ovat erityisen kätevä kahden fotonin siirtymiä, jossa kaksi fotonit ovat imeytyy samanaikaisesti ja yhdessä edistää nosto atomin elektronien enemmän energiaa valtio.

"Kahden fotonin siirtymät eivät ole harvinaisia", sanoo Englanti, "mutta mikä tekee niistä eroaa yhden fotonin siirtymiä on ettei voi olla kaksi mahdollista polkuja lopullinen innostunut valtion - kaksi polkuja, jotka eroavat toisistaan ​​missä järjestyksessä fotonit imeytyvät siirtymävaiheessa. Näitä polkuja voi häiritä, destructively tai rakentavasti. Yksi niistä tekijöistä, joka selvittää, onko häiriö on rakentava tai tuhoava onko fotonit ovat bosonit tai fermionit. "

Vuonna erityisesti barium kahden fotonin siirtyminen tutkijat käyttivät, spin-tilastot lause kieltää siirtyminen, kun molemmat fotonit ovat samalla aaltopituudella. Nämä kielletty kahden fotonin siirtymiä on sallittu kaikkia tunnettuja suojelu laki paitsi spin-tilastot lause. Mikä Englanti, Yashchuk, ja Budker etsivät olivat poikkeuksia tästä säännöstä, tai kuten Englanti asettaa se, "bosonit toimivat kuin fermionit."

Kokeilu alkaa virtana barium atomien, kaksi laseria pyritään sen vastakkaisilta puolilta estää ei-toivotut vaikutukset liittyvät atomi rekyyliä. Laserit on viritetty samalle taajuudelle, mutta on vastakkainen polarisaatio, joka on välttämätöntä säilyttää impulssimomentti. Jos kielletty siirtymät johtuivat kahdesta saman aallonpituuden fotonit alkaen kaksi laseria, ne olisi havaittu, kun atomit lähettävät erityistä väriä loisteputki.

Tutkijat huolellisesti ja toistuvasti viritetty kautta alueella, jossa kielletty kahden fotonin siirtymiä, jos tapahtuisi, olisi paljastaa itsensä. He havaittu mitään. Nämä tiukat tulokset raja todennäköisyydellä tahansa kahden fotonit voisi loukata spin-tilastot lause: mahdollisuudet, että kaksi fotonit ovat fermionic valtio eivät ole sen parempia kuin yksi sata miljardia - ylivoimaisesti herkin testi vielä pienillä energioita, jotka saattaa hyvinkin olla herkempi kuin vastaavat todisteet korkean energian hiukkasia colliders.

Budker korostaa, että tämä oli "tosi pöydässä kokeilu, voivat tehdä merkittäviä löytöjä hiukkasfysiikan ilman miljardien dollarien." Sen prototyyppiä alunperin suunnittelivat Budker ja David DeMille, nyt Yalessa, jotka vuonna 1999 saivat vakavasti rajaa todennäköisyys fotonien ollessa "väärä" (fermionic) tilassa. Uusin kokeilu, joka toteutettiin Berkeleyn, käyttää tarkempia menetelmä ja edistystä aiempaan tulosta yli kolme kertaluokkaa.

"Me etsimme, koska kokeellisia testejä yhä herkkyyttä motivoi perustavan tärkeää kvanttistatistiikkaa", sanoo Budker. "Spin-tilastot yhteys on yksi perusolettamukset tietämystämme perustavanlaatuisia luonnonlakeja."

"Spektroskooppiset testi Bose-Einstein tilastot fotonit," by Damon Englanti, Valeri Yashchuk, ja Dmitri Budker, ilmestyy 25 kesäkuu kysymys Physical Review Letters ja on saatavilla verkossa. Tutkimus tukee National Science Foundation.

Last Update: 9. October 2011 12:59

Tell Us What You Think

Do you have a review, update or anything you would like to add to this news story?

Leave your feedback
Submit