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Best-Test Pourtant, la théorie de la nature

Published on June 24, 2010 at 9:26 PM

La meilleure théorie pour expliquer le monde subatomique a fait ses débuts en 1928, lorsque théoricien Paul Dirac combinée mécanique quantique avec la relativité restreinte d'expliquer le comportement de l'électron. Le résultat fut la mécanique quantique relativiste, qui est devenue un ingrédient majeur dans la théorie quantique des champs. Avec quelques hypothèses et des ajustements ad hoc, théorie quantique des champs a prouvé assez puissant pour former la base du modèle standard des particules et des forces.

Deux faisceaux laser opposés, identiques sauf pour la polarisation, tenter d'exciter interdit à deux photons des transitions dans un faisceau d'atomes de baryum. (Image Damon en anglais)

«Même ainsi, il faut se rappeler que le modèle standard n'est pas une théorie définitive de tous les phénomènes, et est donc intrinsèquement incomplète», explique Dmitry Budker, un scientifique du personnel de la Division des sciences nucléaires de l' Département américain de l'Énergie Lawrence Berkeley National Laboratory et un professeur de physique à l'Université de Californie à Berkeley.

Budker a longtemps été intéressé par les tests fondements largement accepté de la théorie physique à leurs limites. Dans le numéro du 25 Juin Physical Review Letters, lui et ses collègues rapportent les essais les plus rigoureux, mais d'une hypothèse fondamentale sur la façon dont les particules se comportent à l'échelle atomique.

Pourquoi nous avons besoin du théorème spin-statistique

«Nous avons testé l'un des principaux piliers théoriques de la théorie quantique des champs, le théorème spin-statistique», explique Damon anglais, ancien élève Budker et un stage postdoctoral au Département de physique de l'UC, qui a dirigé l'expérience. «Essentiellement, nous avons demandé, sont des photons très bosons parfaite?"

Le théorème spin-statistique dicte que toutes les particules fondamentales doivent être classés dans l'une de deux types, les fermions ou bosons. (Les noms proviennent de la statistique, les statistiques de Fermi-Dirac et de Bose-Einstein, qui expliquent leurs comportements respectifs.)

Pas de deux électrons peuvent être dans le même état quantique. Par exemple, il n'ya pas deux électrons d'un atome peut avoir des jeux identiques de nombres quantiques. N'importe quel nombre de bosons peuvent occuper le même état quantique, toutefois, entre autres phénomènes, c'est ce qui rend possibles des faisceaux laser.

Les électrons, neutrons, protons, et beaucoup d'autres particules de matière sont des fermions. Les bosons sont un groupe mixte qui comprend décidément les photons de la force électromagnétique, les bosons W et Z de la force faible, et les particules de matière comme les noyaux de deutérium, mésons pi, et une flopée d'autres. Compte tenu de la pagaille dans ce zoo des particules, il prend le théorème spin-statistique de dire ce qui est un fermion et ce qui est un boson.

La façon de les distinguer est de leur spin - et non le spin classique d'une dynamique tourbillonnante angulaires top mais intrinsèque, un concept quantique. Quantum spin est soit entier (0, 1, 2, ...) ou entier et demi, un nombre impair de demi (1 / 2, 3 / 2 ...). Les bosons ont un spin entier. Les fermions ont la moitié de spin entier.

«Il ya une preuve mathématique du théorème spin-statistique, mais c'est tellement abscons, vous devez être un théoricien quantique champ professionnel pour le comprendre», explique Budker. "Toute tentative de trouver une explication simple a échoué, même par des scientifiques aussi distingué que Richard Feynman. La preuve elle-même est basé sur des hypothèses, certaines explicites, certaines subtiles. C'est pourquoi les tests expérimentaux sont essentiels. "

Dit en anglais, "Si nous devions abattre le théorème spin-statistique, l'édifice de la théorie quantique des champs viendrait s'écraser avec elle. Les conséquences seraient de grande envergure, affectant nos hypothèses sur la structure de la causalité et même espace-temps lui-même. "

A la recherche de transitions interdites

Anglais et Budker, en collaboration avec Valeriy Yashchuk, un scientifique du personnel à la source Berkeley Lab Advanced Light, ont cherché à vérifier le théorème en utilisant des faisceaux laser pour exciter les électrons dans les atomes de baryum. Pour les expérimentateurs, les atomes de baryum sont particulièrement pratique à deux photons des transitions, dans laquelle deux photons sont absorbés simultanément et contribuent ensemble à la levée des électrons d'un atome à un état d'énergie supérieur.

"À deux photons des transitions ne sont pas rares», explique l'anglais, "mais ce qui les rend différents des photons uniques transitions est qu'il peut y avoir deux chemins possibles à l'état final excités - deux chemins qui diffèrent par l'ordre dans lequel les photons sont absorbés durant la transition. Ces chemins peuvent interférer de façon destructive ou constructive. Un des facteurs qui détermine si l'ingérence est constructive ou destructive est de savoir si les photons sont des bosons ou de fermions. "

En particulier, le baryum à deux photons de transition les chercheurs ont utilisé, le théorème spin-statistique interdit la transition lorsque les deux photons ont la même longueur d'onde. Ces interdits à deux photons des transitions sont autorisés par toute loi de conservation connu, sauf le théorème spin-statistique. Que l'anglais, Yashchuk et Budker cherchaient étaient des exceptions à cette règle, ou que l'anglais le dit, «agissant comme des bosons fermions».

L'expérience commence avec un flux d'atomes de baryum; deux lasers sont destinées à des côtés opposés il pour prévenir les effets indésirables associés avec le recul atomique. Les lasers sont réglés sur la même fréquence, mais ont une polarisation inverse, ce qui est nécessaire pour préserver l'élan angulaire. Si transitions interdites ont été causés par ces deux mêmes longueurs d'onde des photons par les deux lasers, ils seraient détectés quand les atomes émettent une couleur particulière de la lumière fluorescente.

Les chercheurs à l'écoute attentivement et à plusieurs reprises à travers la région où interdit à deux photons des transitions, s'il en était encore à se produire, se révéleraient. Ils ont détecté rien. Ces résultats strictes limiter la probabilité que deux photons pourrait violer le théorème spin-statistique: les chances que deux photons sont dans un état fermionique sont pas mieux que de un sur cent milliards - de loin le test le plus sensible encore à basse énergie, qui pourrait bien être plus sensibles que les preuves similaires de collisionneurs de particules de haute énergie.

Budker souligne que ce fut "une vraie table expérience, capable de faire d'importantes découvertes en physique des particules sans dépenser des milliards de dollars." Son prototype a été initialement conçu par Budker et David DeMille, aujourd'hui à Yale, qui en 1999 ont réussi à fortement limiter la probabilité de photons étant dans une "mauvaise" (fermionique) de l'Etat. La dernière expérience, menée à l'Université de Berkeley, utilise une méthode plus raffinée et améliore le résultat antérieur de plus de trois ordres de grandeur.

"Nous continuons la recherche, parce que les tests expérimentaux à la sensibilité croissante sont motivés par l'importance fondamentale de la statistique quantique», explique Budker. "La connexion spin-statistique est l'une des hypothèses les plus fondamentales dans notre compréhension des lois fondamentales de la nature."

«Test spectroscopiques de Bose-Einstein pour les photons," par Damon anglais, Valeriy Yashchuk, et Dmitry Budker, apparaît dans le numéro du 25 Juin Physical Review Letters et est disponible en ligne. La recherche a été soutenue par la National Science Foundation.

Last Update: 3. October 2011 01:27

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