Site Sponsors
  • Park Systems - Manufacturer of a complete range of AFM solutions
  • Oxford Instruments Nanoanalysis - X-Max Large Area Analytical EDS SDD
  • Strem Chemicals - Nanomaterials for R&D

Het testen van de Best-Toch Theorie van de natuur

Published on June 24, 2010 at 9:26 PM

De beste theorie voor het verklaren van de subatomaire wereld is begonnen in 1928 als theoreticus Paul Dirac in combinatie kwantummechanica met speciale relativiteitstheorie om het gedrag van het elektron uit te leggen. Het resultaat was relativistische kwantummechanica, die werd een belangrijk ingrediënt in kwantumveldentheorie. Met een paar aannames en ad hoc aanpassingen, heeft kwantumveldentheorie bewezen krachtig genoeg om de basis van het Standaard Model van deeltjes en krachten te vormen.

Twee tegengestelde laserstralen, identiek behalve voor de polarisatie, poging tot verboden twee-foton overgangen te wekken in een straal van barium-atomen. (Image Damon Engels)

"Zelfs zo, zij eraan herinnerd dat het Standaard Model niet is een laatste theorie van alle verschijnselen, en is daarom inherent incompleet", aldus Dmitry Budker, een staf wetenschapper in de Nuclear Science Division van het Amerikaanse Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory en een professor in de natuurkunde aan de Universiteit van Californië in Berkeley.

Budker is al lange tijd geïnteresseerd in het testen van algemeen geaccepteerde onderbouwing van de natuurkundige theorie tot het uiterste. In de 25e juni nummer van Physical Review Letters, hij en zijn collega's verslag van de meest rigoureuze tests nog van een fundamentele aanname over hoe deeltjes zich gedragen op de atomaire schaal.

Daarom moeten we de spin-statistieken stelling

"We hebben een van de belangrijkste theoretische pijlers van de quantum veld theorie, de spin-statistieken stelling getest", zegt Damon Engels, oud-student Budker's en een postdoc in UC's Department of Physics, leider van het experiment. "In feite waren we vragen, worden fotonen echt perfect bosonen?"

De spin-statistieken stelling dicteert dat alle fundamentele deeltjes moeten worden ingedeeld in een van de twee types, fermionen en bosonen. (De namen komen uit de statistieken, Fermi-Dirac statistiek en Bose-Einstein statistiek, dat hun gedrag te verklaren.)

Geen twee elektronen kan worden in dezelfde kwantumtoestand. Zo kan bijvoorbeeld geen twee elektronen in een atoom hebben identieke sets van quantum getallen. Een willekeurig aantal bosonen kan dezelfde kwantumtoestand bezetten echter,, onder andere fenomenen, dit is wat maakt laserstralen mogelijk.

Elektronen, neutronen, protonen, en vele andere deeltjes van stof zijn fermionen. Bosonen zijn beslist een gemengd bos, dat de fotonen van de elektromagnetische kracht, de W-en Z-bosonen van de zwakke kracht, en de kwestie deeltjes als deuterium kernen, pi mesonen, en een groot aantal anderen omvat. Gezien de pandemonium in dit deeltje dierentuin, het neemt de spin-statistieken stelling om te vertellen wat een fermion, en wat is een boson.

De manier om elkaar te vertellen hen is door hun spin - niet de klassieke spin van een wervelende top, maar intrinsiek impulsmoment, een quantum concept. Quantum spin is een geheel getal (0, 1, 2, ...) of half integer, een oneven aantal helften (1 / 2, 3 / 2, ...). Bosonen hebben integer spin. Fermionen hebben half integer spin.

"Er is een wiskundig bewijs van de spin-statistieken stelling, maar het is zo diepzinnig moet je een professionele kwantumveld theoreticus worden om het te begrijpen," zegt Budker. "Elke poging om een ​​eenvoudige verklaring te vinden is mislukt, zelfs door wetenschappers als onderscheiden als Richard Feynman. Het bewijs zelf is gebaseerd op aannames, sommigen expliciet, sommige subtiel. Daarom experimentele tests van essentieel belang zijn. "

Zegt Engels, "Als we zouden neerhalen van de spin-statistieken stelling, het hele bouwwerk van kwantumveldentheorie zou instorten mee. De gevolgen zouden zijn verreikend, die onze aannames over de structuur van de ruimtetijd en zelfs de causaliteit zelf. "

Op zoek naar verboden overgangen

Engels en Budker, het werken met Valeriy Yashchuk, een staf wetenschapper aan Advanced Light Source Berkeley Lab, op zoek naar de stelling te testen met behulp van laserstralen om de elektronen in atomen barium prikkelen. Voor de onderzoekers, hebben barium atomen bijzonder handig twee-foton overgangen, waarbij twee fotonen tegelijk geabsorbeerd en samen bijdragen aan het opheffen van een atoom elektronen naar een hogere energietoestand.

"Twee-foton overgangen zijn niet zeldzaam", zegt Engels, "maar wat maakt ze anders dan single-foton overgangen is dat er twee mogelijke paden zijn om de uiteindelijke aangeslagen toestand - twee paden die verschillen door de volgorde waarin de fotonen worden geabsorbeerd tijdens de overgang. Deze paden kunnen hinderen, destructief of constructief. Een van de factoren die bepaalt of de interferentie constructief of destructief is de vraag of fotonen bosonen of fermionen. "

In het bijzonder barium twee-foton overgang gebruikten de onderzoekers, de spin-statistieken stelling verbiedt de overgang wanneer de twee fotonen dezelfde golflengte hebben. Deze verboden twee-foton overgangen zijn toegestaan ​​door elke bekende behoud recht, met uitzondering van de spin-statistieken stelling. Wat het Engels, Yashchuk, en Budker waren op zoek naar zijn uitzonderingen op deze regel, of zoals Engels zegt: "bosonen gedraagt ​​zich als fermionen."

Het experiment begint met een stroom van barium-atomen, twee lasers zijn gericht op het van weerszijden om ongewenste effecten geassocieerd met atomaire terugslag te voorkomen. De lasers zijn afgestemd op dezelfde frequentie, maar hebben tegengestelde polarisatie, die nodig is om impulsmoment behouden. Als verboden overgangen werden veroorzaakt door twee dezelfde golflengte fotonen van de twee lasers, zouden ze worden ontdekt als de atomen uitzenden een bepaalde kleur van TL-licht.

De onderzoekers zorgvuldig en herhaaldelijk afgestemd door de regio waar de verboden twee-foton overgangen, eventueel zou gebeuren, dan zou openbaren zich. Ze ontdekt niets. Deze strenge resultaten beperken de kans dat twee willekeurige fotonen kan de spin-statistieken stelling schenden: de kans dat twee fotonen in een fermionische toestand niet beter dan een op de honderd miljard - maar veruit de meest gevoelige proef bij lage energieën, die misschien wel gevoeliger dan vergelijkbare bewijs van de hoge-energie deeltjesversnellers.

Budker benadrukt dat dit was "een ware table-top experiment, in staat om belangrijke ontdekkingen in de deeltjesfysica te maken zonder de uitgaven van miljarden dollars." Het prototype werd oorspronkelijk ontwikkeld door Budker en David DeMille, die nu aan de Yale, die in 1999 in staat waren om ernstig beperken de kans op fotonen zich in een "verkeerde" (fermionische) staat. De nieuwste experiment, uitgevoerd bij UC Berkeley, maakt gebruik van een meer verfijnde methode en verbetert op het eerdere resultaat met meer dan drie ordes van grootte.

"We blijven zoeken, omdat de experimentele testen op steeds grotere gevoeligheid worden gemotiveerd door het fundamentele belang van quantum statistiek", zegt Budker. "De spin-statistieken verbinding is een van de meest fundamentele aannames in ons begrip van de fundamentele wetten van de natuur."

"Spectroscopische test van Bose-Einstein statistiek voor fotonen," door Damon Engels, Valeriy Yashchuk, en Dmitry Budker, verschijnt in het 25 juni nummer van Physical Review Letters en is online beschikbaar. Het onderzoek werd gesteund door de National Science Foundation.

Last Update: 6. October 2011 18:02

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