בדיקת Best-זאת תורת הטבע

Published on June 24, 2010 at 9:26 PM

התיאוריה הטובה ביותר להסביר את העולם התת יש להתחיל בשנת 1928 כאשר התיאורטיקן פול דיראק בשילוב מכניקת הקוונטים עם תורת היחסות הפרטית כדי להסביר את התנהגותו של האלקטרון. התוצאה היתה תורת היחסות תורת הקוונטים, שהפך מרכיב מרכזי בתורת השדה הקוונטי. עם מספר הנחות והמודעה התאמות הוק, תורת הקוואנטים השדה הוכיחה חזק מספיק כדי ליצור את הבסיס של המודל הסטנדרטי של החלקיקים והכוחות.

שתי אלומות לייזר התנגדו, זהה למעט ניסיון קיטוב, לרגש אסור שני הפוטונים מעברים בקרן של אטומים בריום. (תמונה דיימון אנגלית)

"למרות זאת, יש לזכור כי המודל הסטנדרטי אינו התיאוריה הסופית של כל התופעות, ולכן הוא לא שלם מיסודו", אומר דמיטרי Budker, מדען צוות באגף למדע גרעיני של משרד החוץ האמריקני לורנס אנרגיה ברקלי המעבדה הלאומית ו פרופסור לפיזיקה באוניברסיטת קליפורניה בברקלי.

Budker כבר זמן רב מעוניין בבדיקת היסודות מקובלת התיאוריה פיזית ליכולתם. בגיליון יוני 25 של Physical Review Letters, הוא וחבריו הדו"ח ניסויים קפדניים ביותר עד כה של הנחת יסוד על איך להתנהג חלקיקים בקנה מידה אטומי.

למה אנחנו צריכים את משפט ספין סטטיסטיקה

"בדקנו אחד מעמודי התווך העיקריים של התיאוריה תיאורטי השדה הקוונטי, משפט ספין הסטטיסטיקה", אומר דיימון אנגלית, סטודנט לשעבר של Budker ו בחור דוקטורט במחלקה UC לפיסיקה, שהוביל את הניסוי. "בעיקרון אנחנו שואלים, הם פוטונים בוזונים באמת מושלם?"

משפט ספין סטטיסטיקה מכתיב שכל חלקיקי היסוד חייב להיות מסווג לאחד משני סוגים, פרמיונים או בוזונים. (שמות לבוא מהסטטיסטיקה, פרמי, דיראק סטטיסטיקה בוזה איינשטיין הסטטיסטיקה, כי להסביר התנהגויות שלהם.)

אין שני אלקטרונים יכולים להיות במצב קוונטי זהה. לדוגמה, אין שני האלקטרונים באטום יכולים להיות זהים סטים של מספרים קוונטיים. כל מספר בוזונים יכולים לתפוס את אותו מצב קוונטי, אולם, בין תופעות אחרות, זה מה שעושה קרני לייזר אפשרי.

אלקטרונים, נויטרונים, פרוטונים, וחלקיקים אחרים רבים של החומר הם פרמיונים. בוזונים הם חבורה מעורבת בהחלט הכוללת את הפוטונים של הכוח האלקטרומגנטי, W ו-Z בוזונים של כוח חלש, חלקיקי החומר כגון גרעיני דאוטריום, המזונים pi, וכן דוברה של אחרים. לאור מהומה בגן החיות הזה החלקיקים, זה לוקח משפט ספין סטטיסטיקה כדי לדעת מה פרמיונים ומה בוזון.

הדרך להבדיל ביניהם היא על ידי הספין שלהם - לא ספין קלאסי של מומנטום מסתחרר זוויתי העליון אך מהותי, מושג הקוונטים. Quantum ספין הוא שלם או (0, 1, 2 ...) או שלם וחצי, מספר אי זוגי של חצאים (1 / 2, 3 / 2 ...). בוזונים יש ספין שלם. פרמיונים לו חצי ספין שלם.

"יש הוכחה מתמטית של משפט ספין הסטטיסטיקה, אבל זה כל כך קשה להבנה אתה צריך להיות תיאורטיקן בתחום מקצועי הקוונטים כדי להבין את זה", אומר Budker. "כל ניסיון למצוא הסבר פשוט נכשלה, גם על ידי מדענים כמו להבדיל ריצ'רד פיינמן. ההוכחה עצמה מבוססת על הנחות, חלקם מפורשים, חלקם עדין. לכן בדיקות ניסיוניות חיוניים ".

אומר באנגלית: "אם היינו להפיל משפט ספין הסטטיסטיקה, את בסיסו של תורת השדה הקוונטי יפלו ארצה עם זה. ההשלכות יהיו מרחיקות לכת, המשפיעים על ההנחות שלנו על מבנה של סיבתיות למרחב ואפילו את עצמו ".

בחיפוש מעברים אסורים

אנגלית Budker, עבודה עם ולרי Yashchuk, מדען צוות מתקדם מקור אור המעבדה של ברקלי, יצא לבדוק את משפט באמצעות קרני לייזר כדי לעורר את האלקטרונים באטומים בריום. עבור הנסיינים, אטומים בריום יש נוח במיוחד שני הפוטונים מעברים, שבה שני פוטונים נספגים בו זמנית יחד לתרום הרמת האלקטרונים של אטום למצב אנרגיה גבוהה יותר.

"שני מעברים פוטון אינם נדירים", אומר באנגלית, "אבל מה שעושה אותם שונים פוטון יחיד מעברים היא לא יכולה להיות שני נתיבים אפשריים למצב נרגש הסופי - שני נתיבים שונים לפי הסדר שבו פוטונים נספגים במהלך המעבר. נתיבים אלה יכולים להתערב, הרסני או בונה. אחד הגורמים הקובעים אם ההפרעה היא בונה או הרסנית היא האם הפוטונים הם בוזונים או פרמיונים ".

ב בריום מסוים שני הפוטונים המעבר השתמשו החוקרים, משפט ספין סטטיסטיקה אוסר את המעבר כאשר שני פוטונים בעלי אורך גל זהה. אסור אלה שני הפוטונים מעברים מותרים על פי חוק שימור כל פרט הידוע משפט ספין הסטטיסטיקה. מה אנגלית, Yashchuk ו Budker חיפשו היו יוצאים מן הכלל הזה, או כפי שמנסח זאת באנגלית, "בוזונים מתנהג כמו פרמיונים".

הניסוי מתחיל עם זרם של אטומים בריום; שני לייזרים מכוונים אותו משני צדיו כדי למנוע תופעות לא רצויות הקשורות רתיעה אטומי. לייזרים הם מכוון לתדר זהה, אבל יש קיטוב הפוך, אשר הכרחי כדי לשמר תנע זוויתי. אם מעברים אסור נגרמו על ידי שני בני אותו פוטונים באורך גל של שני לייזרים, הם היו להתגלות כאשר האטומים פולטים צבע מסוים של אור ניאון.

החוקרים מכוונים בזהירות שוב ושוב דרך האזור שבו אסורה שני הפוטונים מעברים, אם בכלל היו להתרחש, יחשוף את עצמם. הם זוהה כלום. תוצאות אלו מחמירים להגביל את ההסתברות כי כל שני פוטונים יכולים להפר את משפט ספין סטטיסטיקה: הסיכוי כי שני פוטונים נמצאים במצב fermionic הם לא יותר מאשר אחד למאה מיליארד דולר - ללא ספק המבחן רגיש ביותר עד כה באנרגיות נמוכות, אשר יכול בהחלט להיות רגיש יותר ראיות דומות אנרגיה גבוהה colliders החלקיקים.

Budker מדגיש כי זו היתה "שולחן העליונה נכון הניסוי, מסוגל לבצע תגליות משמעותיות פיסיקת החלקיקים מבלי לבזבז מיליארדי דולרים." אב טיפוס שלה פותחה במקור על ידי Budker ודוד מיל, עכשיו באוניברסיטת ייל, אשר בשנת 1999 היו מסוגלים קשות להגביל את ההסתברות של פוטונים להיות במצב "רע" (fermionic). הניסוי האחרון, שנערך באוניברסיטת ברקלי, משתמשת בשיטה מעודנת יותר ומשפר את התוצאה קודם לכן על ידי יותר משלוש סדרי גודל.

"אנחנו ממשיכים לחפש, כי בדיקות ניסיוני רגישות וגובר מונעים על ידי החשיבות הבסיסית של הקוונטים הסטטיסטיקה", אומר Budker. "הקשר ספין הסטטיסטיקה היא אחת ההנחות הבסיסיות ביותר של הבנתנו את החוקים הבסיסיים של הטבע".

"מבחן Spectroscopic של בוזה איינשטיין סטטיסטיקות פוטונים" מאת דיימון אנגלית, ולרי Yashchuk, ודמיטרי Budker, מופיע בגיליון יוני 25 של Physical Review Letters זמינה באופן מקוון. המחקר נתמך בידי הקרן הלאומית למדע.

Last Update: 8. October 2011 19:26

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