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

Testing av Best-Likevel Theory of Nature

Published on June 24, 2010 at 9:26 PM

Den beste teorien for å forklare den subatomære verden fikk sin start i 1928 når teoretikeren Paul Dirac kombinert kvantemekanikk med spesielle relativitetsteori å forklare oppførselen til elektronet. Resultatet ble relativistisk kvantemekanikk, som ble en viktig ingrediens i kvantefeltteori. Med noen antagelser og ad hoc-justeringer, har kvantefeltteori bevist kraftig nok til å danne grunnlaget for Standardmodellen av partikler og krefter.

To motsetning laserstråler, identiske med unntak for polarisering, forsøke å opphisse forbudt to-foton overganger i en stråle av barium atomer. (Bilde Damon engelsk)

"Likevel, bør det bli husket at Standardmodellen er ikke en endelig teori om alle fenomener, og er derfor iboende ufullstendig," sier Dmitry Budker, en stab forsker i Nuclear Science Division av US Department of Energy er Lawrence Berkeley National Laboratory og professor i fysikk ved University of California i Berkeley.

Budker har lenge vært interessert i å teste allment akseptert grunnlaget for fysisk teori til sine grenser. I den 25 juni utgaven av Physical Review Letters, han og hans kolleger rapporterer de strengeste forsøkene ennå en grunnleggende antagelse om hvordan partikler oppfører seg på den atomære skala.

Hvorfor vi trenger spin-statistikk teoremet

"Vi testet en av de store teoretiske pilarer kvantefeltteori, spinn-statistikk teoremet", sier Damon engelsk, Budker tidligere student og en postdoktor i UC Institutt for fysikk, som ledet forsøket. "I hovedsak var vi spør, er fotoner egentlig perfekt bosoner?"

Spin-statistikk teoremet tilsier at alle fundamentale partikler må være klassifisert i en av to typer, fermioner eller bosoner. (Navnene kommer fra statistikken, Fermi-Dirac statistikk og Bose-Einstein statistikk, som forklarer deres respektive atferd.)

No to elektroner kan være i samme kvantetilstand. For eksempel kan ikke to elektroner i et atom har samme sett med kvantetall. Ethvert antall bosoner kan okkupere samme kvantetilstand imidlertid, blant andre fenomener, er dette hva gjør laserstråler mulig.

Elektroner, nøytroner, protoner, og mange andre partikler er fermioner. Bosoner er en desidert blandet gjeng som inkluderer fotoner av elektromagnetiske kraften, W og Z bosonene av den svake kraften, og slik sak partikler som deuterium atomkjerner, pi mesoner, og en rekke andre. Gitt pandemonium i denne partikkelen zoo, tar det spinn-statistikk teoremet til å fortelle hva som er en fermion og hva som er et boson.

Den måten å fortelle dem fra hverandre er ved spin deres - ikke den klassiske snurre en snurrende topp, men iboende dreieimpuls, en kvante konsept. Quantum spinn er enten heltall (0, 1, 2 ...) eller en halv heltall, et ulikt antall halvdeler (1 / 2, 3 / 2 ...). Bosoner har heltallige spinn. Fermioner har halvparten heltallige spinn.

"Det er en matematisk bevis på spin-statistikk teoremet, men det er abstruse så du må være en profesjonell kvantefelt teoretiker å forstå det," sier Budker. "Hvert forsøk på å finne en enkel forklaring har sviktet, også av forskere som erklæres som Richard Feynman. Beviset seg selv er basert på antagelser, noen eksplisitt, noen subtile. Derfor eksperimentelle tester er avgjørende. "

Sier engelsk, "Hvis vi skulle slå ned den spin-statistikk teoremet, ville hele byggverk av kvantefeltteori komme styrter ned med det. Konsekvensene vil være vidtrekkende, påvirker våre antakelser om strukturen på rom og tid og selv kausalitet seg selv. "

På jakt etter forbudte overganger

Engelsk og Budker, som arbeider med Valeriy Yashchuk, en stab forsker ved Berkeley Lab i Advanced Light Source, satt ut for å teste teorem med laserstråler for å opphisse elektroner i barium atomer. For forskere har barium atomer spesielt praktisk to-foton overganger, hvor to fotoner absorberes samtidig og sammen bidra til å løfte et atom er elektroner til en høyere energitilstand.

"To-foton overganger er ikke sjeldne," sier engelsk, "men hva gjør dem forskjellig fra single-foton overganger er at det kan være to mulige veier til den endelige opphisset tilstand - to stier som skiller seg fra rekkefølgen som fotoner absorberes under overgangen. Disse stiene kan forstyrre, destruktivt eller konstruktivt. En av faktorene som bestemmer om forstyrrelser er konstruktive eller destruktive er om fotoner er bosoner eller fermioner. "

I spesielle barium to-foton overgang forskerne brukte, forbyr spin-statistikk teoremet overgangen når de to fotonene har samme bølgelengde. Disse forbudt to-foton overganger er tillatt av alle kjente bevaring lov unntatt spin-statistikk teoremet. Hva engelsk, Yashchuk, og Budker var ute etter var unntak fra denne regelen, eller som engelsk sier det, "bosoner opptrer som fermioner."

Forsøket starter med en strøm av barium atomer, to lasere er rettet mot det fra motsatt side for å hindre uønskede effekter forbundet med atom rekyl. Den lasere er innstilt på samme frekvens, men har motsatt polarisering, som er nødvendig for å bevare dreieimpuls. Dersom forbudt overganger ble forårsaket av to av samme bølgelengde fotoner fra de to lasere, ville de bli oppdaget når atomene avgir en bestemt farge av fluorescerende lys.

Forskerne nøye og gjentatte ganger stemt gjennom regionen hvor forbudt to-foton overganger, hvis noen skulle inntreffe, ville avsløre seg selv. De oppdaget ingenting. Disse strenge resultatene begrense sannsynligheten for at to fotoner kan krenke spin-statistikk teoremet: sjansene for at to fotoner er i en fermioniske tilstand er ikke bedre enn en av hundre milliarder - den klart mest sensitive test ennå ved lave energier, som kan godt være mer sensitive enn tilsvarende bevis fra høy-energi partikkel kollisjoner.

Budker understreker at dette var "et sant table-top eksperiment i stand til å gjøre betydelige funn i partikkelfysikk uten å bruke milliarder av dollar." Its prototype ble opprinnelig utviklet av Budker og David DeMille, nå på Yale, som i 1999 var i stand til alvorlig begrense sannsynligheten for fotoner være i en "feil" (fermioniske) tilstand. Den siste eksperiment, utført ved UC Berkeley, bruker en mer raffinert metode og forbedrer på tidligere resultatet med mer enn tre størrelsesordener.

"Vi holde utkikk, fordi eksperimentelle tester på stadig økende følsomhet er motivert av den grunnleggende betydningen av kvante statistikk," sier Budker. "The spin-statistikk forbindelse er en av de mest grunnleggende forutsetningene i vår forståelse av de grunnleggende naturlover."

"Spektroskopiske test av Bose-Einstein statistikk for fotoner," av Damon engelsk, Valeriy Yashchuk og Dmitry Budker, vises i den 25 juni utgaven av Physical Review Letters, og er tilgjengelig online. Forskningen ble støttet av National Science Foundation.

Last Update: 6. October 2011 03:03

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