자연의 최상의 그러나 이론을 테스트

Published on June 24, 2010 at 9:26 PM

이론가 폴 Dirac는 전자의 행동을 설명하기 위해 특수 상대성과 양자 역학을 결합 때 양자 세계를 설명하는 가장 적합한 이론은 1928 년에 시작 했어요. 결과는 양자 필드 이론의 주요 재료가 된 양자 역학 relativistic였다. 몇 가지 가정과 특별 조정을 통해, 양자 필드 이론은 입자와 세력의 표준 모델의 기초를 형성하기에 충분한 강력한 입증되었습니다.

바륨 원자 빔에 금단의 두 광자 전환을 흥분시키기 위해 편광, 시도를 제외하고 동일한 두 개의 반대로 레이저 빔. (이미지 데이먼 영어)

"그럼에도 불구하고 그것이 표준 모델은 모든 현상의 최종 이론이 아니라, 따라서 본질적으로 불완전 것을 기억한다"드미트리 Budker,의 원자력 과학 부문 직원 과학자라고 에너지의 로렌스 버클리 국립 연구소 미국학과 캘리포니아 버클리 대학에서 물리학 및 교수.

Budker 길이 자신의 한계에 물리적 이론 널리 인정 토대를 테스트에 관심이있다. 체육 검토 문학 6월 25일 문제에서, 그와 그의 동료들은 입자는 원자 규모에서 행동하는 방법에 대한 근본적인 가정의 아직 가장 엄격한 시련을보고합니다.

우리는 스핀 통계 정리 필요한 이유

"우리는 양자 필드 이론, 스핀 통계 정리의 주요 이론 기둥 중 하나를 테스트"데이먼 영어, Budker의 전 학생과 실험을 주도 물리학 UC의학과에서 박사 후 동료 말합니다. "기본적으로 우리가 해달라고, 광자 정말 완벽한 bosons인가?"

스핀 - 통계 정리는 모든 근본 입자는 두 가지 유형, fermions 또는 bosons 중 하나에 분류해야한다고 지시. (이름은 해당 행동을 설명 통계 Fermi - Dirac 통계 및 Bose - 아인슈타인 통계에서 왔어요.)

아무도 두 전자가 같은 양자 상태에있을 수 없습니다. 예를 들어, 원자에 두 전자가 양자 숫자의 동일한 집합을 수 없다. bosons의 숫자는하지만, 동일한 양자 상태를 차지할 수 있으며, 다른 현상 사이에, 이것은 레이저 광선을 가능하게 무엇입니까.

전자, 중성자, 양자, 그리고 문제의 여러 입자 fermions 있습니다. Bosons는 전자기 힘, 약한 힘의 W와 Z bosons, 그리고 중수소 핵, 파이 mesons, 그리고 타인의 뗏목 같은 물질 입자의 광자를 포함하는 단호히 혼합 다발하고 있습니다. 이 입자 동물원의 복마전 감안할 때, 그것은 fermion은 무엇과 무엇 boson라고 말할 수있는 스핀 통계 정리 걸립니다.

별개로 그들에게하는 방법은 그들의 스핀입니다 -이 아닌 훨링 최고지만, 본질적인 각운 동량, 양자 개념의 고전 스핀. 양자 스핀도 정수 (0, 1, 2 ...) 또는 반액 정수, 반쪽 (1 / 2, 2분의 3 ...)의 홀수입니다. Bosons은 정수 스핀을했습니다. Fermions 절반은 정수 스핀을했습니다.

"이 스핀 통계 정리의 수학적 증명하지만 그렇게 당신이 그것을 이해하는 전문 양자 필드 이론가해야 난해한의"Budker는 말합니다. 리처드 Feynman로 구별로 "간단한 설명을 찾기 위해 모든 시도도 과학자에 의해 실패했습니다. 증명 자체는 가정, 일부 노골적인, 어떤 미묘한에 따라 달라집니다. 그 실험 검사가 필수적인 이유 "라고 말했다.

"우리는 스핀 - 통계 정리를 노크면, 양자 필드 이론의 전체 건물이 올 것입니다 그것 영어 무너지는 말합니다. 결과는, 광범위한 spacetime 심지어는 인과 관계 자체의 구조에 대한 우리의 가정에 영향을 미치는 것입니다. "

금지 전이의 검색

발레리 Yashchuk, 버클리 연구소의 고급 광원에서 직원 과학자와 협력 영어 Budker은, 바륨 원자에​​서 전자를 자극 레이저 광선을 사용하여 정리를 테스트로 설정합니다. 경험 들면, 바륨 원자 특히 편리 두 광자 전환이있는 두 광자가 동시에 흡수 아르도 함께 높은 에너지 상태로 원자의 전자 운동에 기여.

"두 광자 전환은 희귀하지 않습니다,"영어는 말합니다 "하지만 단일 광자 전환에서 다르게 만드는것도 최종 흥분 상태로 두 가지 경로가있을 수있다는 것입니다 - 순서에 따라 다릅니다 두 경로되는 광자 전환하는 동안 흡수됩니다. 이러한 경로는 destructively 또는 건설, 방해할 수 있습니다. 간섭이 건설 또는 파괴 여부를 결정하는 요인 중 하나는 광자가 bosons 또는 fermions 여부입니다. "

연구자들이 사용하는 두 광자 전이 특정 바륨에서 스핀 - 통계 정리는 두 개의 광자가 동일한 파장을 가진 전환 금지. 이 금단의 두 광자 전환은 스핀 - 통계 정리 제외한 모든 알려진 보존 법에 의해 허용됩니다. 영어, Yashchuk 및 Budker가 찾는 건이 규칙에 대한 예외가 있었다, 또는 영어를두고으로, "fermions처럼 행동 bosons."

실험 바륨 원자의 흐름으로 시작, 2 레이저는 원자 반동와 관련된 원치 않는 효과를 방지하기 위해 반대편에서 목표로하고 있습니다. 레이저는 동일한 주파수로 조정하지만, 각운 동량을 보존하는 데 필요한 반대 분극을 가지고 있습니다. 금단의 전환이 두 레이저에서 두 동일한 파장 광자에 의해 발생했다면 원자가 형광등의 특정 색상을 방출했을 때, 그들은 감지 것입니다.

신중하게 그리고 반복적으로 두 광자 전환을 금지 지역을 통해 조정된 연구자들은 어떤이 발생한다면, 스스로를 노출합니다. 그들은 아무것도 감지하지 않습니다. 이러한 엄격한 결과는 두 개의 광자는 스핀 - 통계 정리 위반할 수있는 가능성이 제한 두 개의 광자가 fermionic 상태에있다는 가능성이 수백 억 분의보다 나은 게없는가 - 낮은 에너지에서 아직 가장 민감한 테스트 지금까지 어느 잘 고에너지 입자 colliders에서 유사한 증거보다 더 민감 수 있습니다.

Budker이 "수십억 달러를 지출하지 않고 입자 물리학의 중요한 발견을 할 수 진정한 테이블 상단 실험."그 프로토 타입은 원래 Budker와 데이비드 드밀은에 의해 고안되었다, 지금 예일에서, 1999 년 심각한 수 있었던 것을 강조 "잘못"(fermionic) 상태에있다는 광자의 확률을 제한할 수 있습니다. UC 버클리에서 실시 최신 실험, 좀 더 세련된 방법을 사용하여 규모의 3 개 주문하여 이전 결과를 향상시킵니다.

"적 증가 감도에 실험 테스트 양자 통계의 기본적인 중요성에 의해 동기 부여되기 때문에, 우리는 둘러보고,"Budker는 말합니다. "스핀 - 통계 연결이 자연의 기본적인 법률에 대한 우리의 이해에 가장 기본적인 전제 중 하나입니다."

데이먼 영어, 발레리 Yashchuk, 그리고 드미트리 Budker에 의해 "광자에 대한 Bose - 아인슈타인 통계 Spectroscopic 검사는"물리적 검토 문학 6월 25일 문제에 나타나고 온라인으로보실 수 있습니다. 연구는 국립 과학 재단 (National Science Foundation)에 의해 지원되었다.

Last Update: 5. October 2011 16:45

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