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Testando a Melhor-Ainda Teoria da Natureza

Published on June 24, 2010 at 9:26 PM

A melhor teoria para explicar o mundo subatômico obteve seu começo em 1928 quando o teórico Paul Dirac combinou a mecânica quântica com a relatividade especial para explicar o comportamento do elétron. O resultado era a mecânica quântica relativistic, que se transformou um ingrediente principal na teoria de campo do quantum. Com alguns suposições e ajustes ad hoc, a teoria de campo do quantum provou poderoso bastante formar a base do Modelo Padrão das partículas e das forças.

Dois opor os raios laser, idênticos à exceção da polarização, tentativa de excitar transições proibidas do dois-fotão em um feixe de átomos do bário. (Inglês de Damon da Imagem)

“Contudo, deve-se recordar que o Modelo Padrão não é uma teoria final de todos os fenômenos, e está conseqüentemente inerente incompleto,” diz Dmitry Budker, um cientista do pessoal na Divisão de Ciência Nuclear do Ministério de E.U. do Laboratório Nacional do Lawrence Berkeley da Energia e um professor da física na Universidade Da California em Berkeley.

Budker tem sido interessado por muito tempo em testar sustentamentos extensamente aceitados da teoria física a seus limites. Na introdução do 25 de junho de Letras Físicas da Revisão, e seus colegas relatam as experimentações as mais rigorosas contudo de uma suposição fundamental sobre como as partículas se comportam na escala atômica.

Porque nós precisamos o teorema das rotação-estatísticas

“Nós testamos uma das colunas teóricas principais da teoria de campo do quantum, o teorema das rotação-estatísticas,” diz o estudante anterior do Inglês, do Budker de Damon e um companheiro pos-doctoral no Departamento do UC de Física, que conduziu a experiência. “Essencialmente nós estávamos pedindo, somos bosons realmente perfeitos dos fotão?”

O teorema das rotação-estatísticas dita que todas as partículas fundamentais devem ser classificadas em um de dois tipos, fermions ou bosons. (Os nomes vêm das estatísticas, das estatísticas de Fermi-Dirac e das estatísticas de Bose-Einstein, que explicam seus comportamentos respectivos.)

Nenhum dois elétrons podem estar no mesmo estado de quantum. Por exemplo, nenhum dois elétrons em um átomo podem ter grupos idênticos de números de quantum. Todo O número de bosons pode ocupar o mesmo estado de quantum, contudo; entre outros fenômenos, este é o que torna raios laser possíveis.

Os Elétrons, os nêutrons, os protão, e muitas outras partículas da matéria são fermions. Os Bosons são um grupo decididamente misturado que inclua os fotão da força eletromagnética, os bosons de W e de Z da força fraca, e partículas da matéria como núcleos do deutério, mesão do pi, e uma jangada de outro. Dado o pandemónio neste jardim zoológico da partícula, toma o teorema das rotação-estatísticas para dizer o que são um fermion e o que é um boson.

A maneira de dizer-lhes é distante por sua rotação - não a rotação clássica de uma parte superior girando mas do impulso angular intrínseco, um conceito do quantum. A rotação do Quantum é um ou outro inteiro (0, 1, 2…) ou meio inteiro, um número impar das metades (1/2, 3/2…). Os Bosons têm a rotação do inteiro. Os Fermions têm a meia rotação do inteiro.

“Há uma prova matemática do teorema das rotação-estatísticas, mas é tão abstruso você tem que ser um teórico profissional do campo de quantum para compreendê-lo,” diz Budker. “Cada tentativa de encontrar uma explicação simples falhou, mesmo por cientistas tão distintos quanto Richard Feynman. A prova própria é baseada em suposições, algum explícito, algum subtil. É por isso os testes experimentais são essenciais.”

Diz o Inglês, “Se nós devíamos bater para baixo o teorema das rotação-estatísticas, o edifício inteiro da teoria de campo do quantum viria causando um crash para baixo com ele. As conseqüências seriam de grande envergadura, afetando nossas suposições sobre a estrutura do spacetime e mesmo da causalidade próprio.”

À procura das transições proibidas

Inglês e Budker, trabalhando com Valeriy Yashchuk, um cientista do pessoal na Fonte Luminosa Avançada do Laboratório de Berkeley, expor para testar o teorema usando raios laser para excitar os elétrons em átomos do bário. Para experimentadores, os átomos do bário têm as transições particularmente convenientes do dois-fotão, em que dois fotão são absorvidos simultaneamente e contribuem junto a levantar os elétrons de um átomo a um estado de energia mais alta.

do “as transições Dois-Fotão não são raras,” diz o Inglês, “mas o que o faz diferente das transições do único-fotão é que pode haver dois trajectos possíveis ao estado entusiasmado final - dois trajectos que diferem pelo pedido em que os fotão são absorvidos durante a transição. Estes trajectos podem interferir, destrutiva ou construtiva. Um dos factores que determina se a interferência é construtiva ou destrutiva é se os fotão são bosons ou fermions.”

Na transição particular do dois-fotão do bário os pesquisadores usados, o teorema das rotação-estatísticas proibem a transição quando os dois fotão têm o mesmo comprimento de onda. Estas transições proibidas do dois-fotão são permitidas por cada lei de conservação conhecida exceto o teorema das rotação-estatísticas. Que Inglês, Yashchuk, e Budker estava procurando eram as exceções a esta regra, ou como o Inglês a põe, os “bosons que actuam como fermions.”

A experiência começa com um córrego de átomos do bário; dois lasers são-lhe visados dos lados opostos para impedir os efeitos indesejáveis associados com a coice atômica. Os lasers são ajustados à mesma freqüência mas têm oposto à polarização, que é necessária para preservar o impulso angular. Se as transições proibidas foram causadas por dois fotão do mesmo-comprimento de onda dos dois lasers, seriam detectadas quando os átomos se emitem uma cor particular da luz fluorescente.

Os pesquisadores com cuidado e ajustado repetidamente com a região onde as transições proibidas do dois-fotão, se algumas eram ocorrer, se revelariam. Não detectaram nada. Estes resultados estritos limitam a probabilidade que todos os dois fotão poderiam violar o teorema das rotação-estatísticas: as possibilidades que dois fotão estão em um estado fermionic são não melhores de um em um cem bilhões - por muito o teste o mais sensível contudo nas baixas energias, que podem bem ser mais sensíveis do que a evidência similar dos colliders alta-tensão da partícula.

Budker sublinha que esta era “uma experiência verdadeira do tampo da mesa, capaz de fazer descobertas significativas na física de partículas sem gastar biliões de dólares.” Seu protótipo foi planejado originalmente por Budker e por David DeMille, agora em Yale, que podia em 1999 limitar severamente a probabilidade dos fotão que estão em um estado (fermionic) “errado”. A experiência a mais atrasada, conduzida em Uc Berkeley, usa um método mais refinado e melhora-o no resultado mais adiantado por mais de três ordens de grandeza.

“Nós mantemo-nos olhar, porque os testes experimentais na sensibilidade crescente são motivado pela importância fundamental de estatísticas do quantum,” dizemos Budker. “A conexão das rotação-estatísticas é uma das suposições as mais básicas em nossa compreensão das leis fundamentais de natureza.”

“O teste Espectroscópica de estatísticas de Bose-Einstein para fotão,” pelo Inglês de Damon, pelo Valeriy Yashchuk, e pelo Dmitry Budker, parece na introdução do 25 de junho de Letras Físicas da Revisão e é acessível em linha. A pesquisa foi apoiada pelo National Science Foundation.

Last Update: 12. January 2012 01:09

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