Verificare la Teoria Miglirice-Ancora della Natura

Published on June 24, 2010 at 9:26 PM

La migliore teoria per la spiegazione del mondo subatomico ha ottenuto il suo inizio nel 1928 quando il teorico Paul Dirac ha combinato la meccanica quantistica con relatività ristretta per spiegare il comportamento dell'elettrone. Il risultato era meccanica quantistica relativistica, che si è trasformata in in un ingrediente importante nella teoria dei campi di quantum. Con alcuni presupposti ed adeguamenti ad-hoc, la teoria dei campi di quantum si è rivelata abbastanza potente costituire la base del Modello Standard delle particelle e delle forze.

Due si sono opposti ai raggi laser, identici eccezione fatta per polarizzazione, tentativo di eccitare le transizioni severe del due-fotone in un raggio degli atomi del bario. (Inglese di Damon di Immagine)

“Nondimeno, dovrebbe essere ricordato che il Modello Standard non è una teoria definitiva di tutti i fenomeni ed è quindi inerentemente incompleto,„ dice Dmitry Budker, uno scienziato del personale nella Divisione di Scienza Nucleare del Dipartimento Per L'Energia di Stati Uniti il Laboratorio Nazionale del Lawrence Berkeley Ed il professor di fisica all'Università di California a Berkeley.

Budker lungamente è stato interessato a verificare ampiamente i sostegni accettati della teoria fisica ai loro limiti. Nell'emissione del 25 giugno delle Lettere Fisiche di Esame, lui ed i suoi colleghi riferiscono le prove più rigorose eppure di un presupposto fondamentale circa come le particelle si comportano sul disgaggio atomico.

Perché abbiamo bisogno del teorema di rotazione-statistiche

“Abbiamo provato una delle colonne teoriche principali della teoria dei campi di quantum, il teorema di rotazione-statistiche,„ dice l'ex studente di Inglese, di Budker di Damon e un collega postdottorale nel Dipartimento del UC di Fisica, che piombo l'esperimento. “Essenzialmente stavamo chiedendo, siamo bosoni realmente perfetti dei fotoni?„

Il teorema di rotazione-statistiche detta che tutte le particelle fondamentali devono essere classificate in uno di due tipi, fermioni o bosoni. (I nomi vengono dalle statistiche, dalle statistiche di Bose-Einstein e di Statistica di Fermi, che spiegano i loro rispettivi comportamenti.)

Nessun due elettroni possono essere nello stesso stato di quantum. Per esempio, nessun due elettroni in un atomo possono avere insiemi dei numeri quantici identici. Qualsiasi numero di bosoni possono occupare lo stesso stato di quantum, tuttavia; tra altri fenomeni, questo è che cosa permette i raggi laser.

Gli Elettroni, i neutroni, i protoni e molte altre particelle della materia sono fermioni. I Bosoni sono un mazzo decisamente misto che include i fotoni di forza elettromagnetica, i bosoni di Z e di W della forza debole e tali particelle della materia come i nuclei del deuterio, mesoni di pi e una zattera di altre. Dato il pandemonio in questo zoo della particella, cattura il teorema di rotazione-statistiche per dire che cosa è una fermione e che cosa è un bosone.

Il modo dire loro a parte è dalla loro rotazione - non la rotazione classica di una cima girantesi ma di un momento angolare intrinseco, un concetto di quantum. La rotazione di Quantum è qualsiasi numero intero (0, 1, 2…) o mezzo numero intero, un numero dispari delle metà (1/2, 3/2…). I Bosoni hanno rotazione di numero intero. Le Fermioni hanno mezza rotazione di numero intero.

“C'è una prova matematica del teorema di rotazione-statistiche, ma è così astruso voi deve essere un teorico professionale del campo di quantum per capirlo,„ dice Budker. “Ogni trovare una spiegazione semplice ha fallito, anche dagli scienziati distinti quanto Richard Feynman. La prova stessa è basata sui presupposti, qualche esplicito, alcuno sottile. Ecco perché le prove sperimentali sono essenziali.„

Dice l'Inglese, “Se dovessimo abbattere il teorema di rotazione-statistiche, l'intera struttura della teoria dei campi di quantum verrebbe schiantandosi giù con. Le conseguenze sarebbero di grande portata, pregiudicando i nostri presupposti circa la struttura dello spazio-tempo e perfino della causalità stesso.„

Alla ricerca delle transizioni severe

Inglese e Budker, lavoranti con Valeriy Yashchuk, uno scienziato del personale alla Sorgente Luminosa Avanzata del Laboratorio di Berkeley, precisata per verificare il teorema usando i raggi laser per eccitare gli elettroni in atomi del bario. Per gli sperimentatori, gli atomi del bario hanno specialmente transizioni convenienti del due-fotone, in cui due fotoni sono assorbiti simultaneamente ed insieme contribuiscono a sollevare gli elettroni di un atomo ad uno stato di più alta energia.

“le transizioni del Due-Fotone non sono rare,„ dice l'Inglese, “ma che cosa li rende differenti dalle transizioni del unico fotone è che ci possono essere due percorsi possibili ai due percorsi di stato emozionanti definitivi che differiscono dall'ordine in cui i fotoni sono assorbiti durante la transizione. Questi percorsi possono interferire, in maniera distruttiva o costruttivamente. Uno dei fattori che determina se l'interferenza è costruttiva o distruttiva è se i fotoni sono bosoni o fermioni.„

Nella transizione particolare del due-fotone del bario i ricercatori usati, il teorema di rotazione-statistiche vieta la transizione quando i due fotoni hanno la stessa lunghezza d'onda. Queste transizioni severe del due-fotone sono permesse da ogni legge di conservazione conosciuta eccetto il teorema di rotazione-statistiche. Che Inglese, Yashchuk e Budker stava cercando erano le eccezioni a questa norma, o come l'Inglese la mette, “bosoni che agiscono come le fermioni.„

L'esperimento comincia con un flusso degli atomi del bario; due laser gli sono puntati su dai lati opposti per impedire gli effetti indesiderati connessi con la ritrazione atomica. I laser sono sintonizzati alla stessa frequenza ma hanno di fronte a polarizzazione, che è necessaria da conservare il momento angolare. Se le transizioni severe fossero causate da due fotoni di stesso-lunghezza d'onda dai due laser, sarebbero individuate quando gli atomi emettono un colore particolare di luce fluorescente.

I ricercatori con attenzione e sintonizzato ripetutamente con la regione dove le transizioni severe del due-fotone, se c'è ne fossero di accadere, si sarebbero rivelate. Non hanno individuato niente. Questi risultati rigorosi limitano la probabilità che tutti i due fotoni potrebbero violare il teorema di rotazione-statistiche: le probabilità che due fotoni sono in uno stato fermionic sono non migliori di uno in un cento miliardo - di gran lunga la prova più sensibile eppure alle energie basse, che possono bene essere più sensibili di simile prova dai colliders ad alta energia della particella.

Budker sottolinea che questo era “un vero esperimento da tavolo, capace di fare le scoperte significative in fisica delle particelle senza spendere miliardi di dollari.„ Il Suo prototipo originalmente è stato inventato da Budker e da David DeMille, ora a Yale, che nel 1999 poteva limitare severamente la probabilità dei fotoni che sono in uno stato (fermionic) “sbagliato„. L'ultimo esperimento, eseguito a Uc Berkeley, usa un metodo più sofisticato e migliora sul risultato più iniziale da più di tre ordini di grandezza.

“Continuiamo guardare, perché le prove sperimentali alla sensibilità in continuo aumento sono motivate dall'importanza fondamentale delle statistiche di quantum,„ diciamo Budker. “La connessione di rotazione-statistiche è uno dei presupposti più fondamentali nella nostra comprensione delle leggi della natura fondamentali.„

“La prova Spettroscopica delle statistiche di Bose-Einstein per i fotoni,„ dall'Inglese di Damon, da Valeriy Yashchuk e da Dmitry Budker, sembra nell'emissione del 25 giugno delle Lettere Fisiche di Esame ed è accessibile in linea. La ricerca è stata supportata dal National Science Foundation.

Last Update: 12. January 2012 01:42

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