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ベストしかし、自然の理論をテストする

Published on June 24, 2010 at 9:26 PM

理論家ポールディラックは電子の振る舞い​​を説明するために、特殊相対性理論と量子力学を組み合わせると、素粒子の世界を説明するための最良の理論は1928年のスタートを切りました。その結果、量子場の理論の主要な成分となった相対論的量子力学、だった。いくつかの仮定とアドホックの調整で、量子場の理論は、粒子と力の標準模型の基礎を形成するのに十分な強力な証明されています。

バリウム原子のビームで禁止二光子遷移を励起する偏光、試みを除いて同一の二つの対照的にレーザービーム、。 (画像デイモン英語)

"たとえそうだとしても、それは標準モデルがすべての現象の最終的な理論ではないため、本質的に不完全であることを忘れてはならない、"ドミトリーブドカー、の核科学部門のスタッフサイエンティストだエネルギー省のローレンスバークレー国立研究所米国エネルギー省は、カリフォルニア大学バークレー校で物理学の教授。

ブドカーは長い間自分の限界への物理的な理論の広く受け入れられている土台のテストに興味を持っている。 Physical Review Lettersに6月25日号では、彼と彼の同僚は、粒子が原子スケールでの動作方法に関する基本的な前提のまだ最も厳格な試験を報告する。

我々は、スピン統計定理を必要とする理由

"我々は、量子場の理論の主要な理論的な柱の一つ、スピン統計定理をテストし、"デイモン英語、ブドカーの元学生と実験を主導した物理学のUCの学科、博士研究員は述べています。 "基本的に我々が求めていた、光子は本当に完璧なボソンのですか?"

スピン統計定理はすべての基本的な粒子が二種類、フェルミオンまたはボソンのいずれかに分類しなければならないことを定めます。 (名称は、それぞれの動作を説明する統計、フェルミ - ディラック統計とボーズアインシュタイン統計、から来ています。)

2つの電子は同じ量子状態になることはできません。例えば、原子内の2つの電子は量子数の同じセットを持つことはできません。ボソンの任意の数にはしかし、同じ量子状態を占有することができますが、他の現象の中で、これはレーザービームを可能にするものです。

電子、中性子、陽子、そして問題の多くは他の粒子はフェルミ粒子である。ボソンは、電磁力、弱い力のWとZボソン、と重水素の原子核、π中間子、及びその他のいかだのような物質粒子の光子が含まれて明​​らかに混在する集まりです。この粒子の動物園で大混乱を考えると、それはフェルミオンが何か、何がボソンだ教えてスピン統計定理を取ります。

離れてそれらを伝える方法は、彼らのスピンによってです - ではない渦巻きのトップが固有角運動量、量子概念の古典スピン。量子スピンは、半分の奇数個(1 / 2、3 / 2 ...)のいずれかの整数(0、1、2 ...)または半整数です。ボゾンは整数スピンを持つ。フェルミオンは半整数スピンを持つ。

"あるスピン統計定理の数学的な証明はないが、それはそうあなたがそれを理解するためにプロの量子場の理論家である必要は難解だ、"ブドカー氏は述べています。リチャードファインマンのように区別される"簡単な説明を見つけるためにあらゆる試みは、さらに科学者が、失敗しました。証明自体は、仮定、いくつかの明示的な、いくつかの微妙なに基づいています。これは実験的なテストが不可欠である理由です。"

英語は、我々はスピン統計定理をノックダウンした場合、場の量子論の全体の建物はそれですごい音を立てて倒れてくるだろう"と言う。結果は、遠大な時空も因果関係自体の構造についての我々の仮定に影響を与えるだろう。"

禁止されているトランジションの検索で

英語とブドカーは、バレリーYashchuk、バークレー研究所の先進光源のスタッフ科学者と協力、バリウム原子の電子を励起するレーザービームを使用して定理をテストするために着手した。実験者の場合は、バリウム原子が特に便利な2光子遷移は、その二つの光子を同時に吸収されていると一緒に高いエネルギー状態への原子の電子を持ち上げるために貢献する。

"二光子遷移は稀ではない、"英語は言う、"しかし、どのような単一光子遷移から、それらが違うのは、最終的な励起状態への2つの可能なパスが存在する可能性があります - 光子順序によって異なる2つのパストランジション中に吸収されている。これらのパスは、破壊的または建設的に、干渉することもできます。干渉が建設的または破壊的であるかどうかを決定する要因の一つは、光子がボソンかフェルミオンであるかどうかです。"

研究者が使用する特定のバリウム二光子遷移では、スピン統計定理は2つの光子が同じ波長を持つ遷移を禁止している。これらの禁止された二光子遷移はスピン統計定理を除いて、すべての既知の保全の法律によって許可されています。英語、Yashchuk、およびブドカーが探していたものは、この規則の例外はあった、または英語が言うように、"フェルミオンのように振る舞ってボソン。"

実験では、バリウム原子の流れから始まり、二つのレーザーは、原子反動に関連する望ましくない影響を防ぐために反対側からそれを目的としています。レーザーは同じ周波数に同調が角運動量を維持する必要がある反対側の偏光を、持っている。禁断の遷移は、2つのレーザーから2つの同じ波長の光子によって引き起こされた場合、原子は蛍光灯の特定の色を発光するとき、それらが検出される。

慎重にと繰り返し二光子遷移を禁止された領域を介して調整された研究者は、いずれかが発生した場合に、姿を現すだろう。彼らは何も検出されなかった。これ、はるかに低いエネルギーではまだほとんどの敏感なテストを - つの光子がフェルミオンの状態にあるという可能性は千億のものよりも優れている:これらの厳しい結果には、任意の2つの光子がスピン統計定理に違反することができないこと確率を制限するよく高エネルギー粒子衝突型加速器から同様の証拠よりも敏感かもしれない。

ブドカーは、これは"数十億ドルを費やすことなく、素粒子物理学における重要な発見をすることができる真の卓上実験、"このプロトタイプは、もともとブドカーとデビッドデミルによって考案された、現在はイェール大学、1999年に重度のできたていたことを強調している"間違った"(フェルミオン)状態にある光子の確率を制限する。カリフォルニア大学バークレー校で行われた最新の実験では、より洗練された方法を使用し、3桁以上で、以前の結果を向上させます。

"増え続ける感度で実験的なテストは量子統計の基本的な重要性によって動機づけられているので、我々は、探し続ける、"ブドカー氏は述べています。 "スピン統計の接続は、自然界の基本法則の理解の中で最も基本的な仮定の一つです。"

デイモン英語、バレリーYashchuk、とドミトリーブドカーによって"光子のボース - アインシュタイン統計の分光検査は、"、Physical Review Lettersに6月25日号に掲載されるとオンラインで入手可能です。研究は全米科学財団によってサポートされていました。

Last Update: 9. October 2011 12:56

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