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

Тестирование Лучшая Однако теория природы

Published on June 24, 2010 at 9:26 PM

Лучшая теория для объяснения субатомном мире получила свое начало в 1928 году, когда теоретик Поль Дирак комбинированные квантовой механики со специальной теорией относительности, чтобы объяснить поведение электрона. В результате релятивистской квантовой механики, который стал основным ингредиентом в квантовой теории поля. С некоторыми допущениями и специальные корректировки, квантовая теория поля оказалась достаточно мощной, чтобы основой стандартной модели частиц и сил.

Два отличие лазерные лучи, идентичны, за исключением поляризации, попытка возбудить запрещено двухфотонных переходов в пучке атомов бария. (Изображение Дэймон английском языке)

"Тем не менее, следует помнить, что Стандартная модель не является окончательным теорию всех явлений, и поэтому по своей сути неполным", говорит Дмитрий Будкер, научный сотрудник в Отделения ядерной науки департамента США Лоуренса в Беркли энергетики Национальной лаборатории и профессор физики в Университете Калифорнии в Беркли.

Г. И. Будкера уже давно заинтересованы в тестировании широкое признание основ физической теории, чтобы их пределы. В 25 июня вопрос о Physical Review Letters, он и его коллеги сообщают самые строгие испытания еще в основное предположение о том, как ведут себя частицы в атомном масштабе.

Зачем нам нужен спина и статистики теорема

"Мы протестировали одну из главных теоретических столпов квантовой теории поля, спина и статистики теорема", говорит Дэймон английский, бывший студент Будкера и докторской сотрудник в Департаменте УНЦ физики, который возглавлял эксперимент. "По существу, мы спрашивали, являются фотоны действительно идеально подходит бозонов?"

Спина и статистики теорема гласит, что все фундаментальные частицы должны быть отнесены к одной из двух типов фермионов или бозонов. (Названия происходят из статистики, статистике Ферми-Дирака и Бозе-Эйнштейна статистика, что объяснить их поведение.)

Никакие два электрона могут находиться в одном квантовом состоянии. Например, нет двух электронов в атоме могут иметь одинаковые наборы квантовых чисел. Любое количество бозонов может занимать одном квантовом состоянии, однако, среди других явлений, это то, что делает лазерные лучи возможно.

Электроны, нейтроны, протоны, и многие другие частицы материи являются фермионами. Бозоны решительно разношерстная, что включает в себя фотоны электромагнитная сила, W и Z бозоны слабых сил, и такие частицы материи как ядер дейтерия, пи-мезоны, и множество других. Учитывая столпотворение в этой частицы зоопарк, он принимает спина и статистики теоремы сказать, что фермион, а что бозон.

Способ отличить друг от друга является их спин - не классическая спина вихревая вершине, но собственного углового момента, квантовая концепция. Квантовая спина либо целое число (0, 1, 2 ...) или полуцелым, нечетное число половин (1 / 2, 3 / 2 ...). Бозонов имеют целый спин. Фермионы имеют полуцелым спином.

"Там математическое доказательство спина и статистики теоремы, но это настолько заумные вы должны быть профессиональной области квантовой теоретиком, чтобы понять это», говорит Г. И. Будкера. "Любая попытка найти простое объяснение не удалось, даже ученые, в отличие, как Ричард Фейнман. Само доказательство основано на предположениях, некоторые явные, некоторые тонкие. Вот почему экспериментальные тесты имеют важное значение. "

Говорит на английском, "Если бы мы были, чтобы сбить спина и статистики теоремы, все здание квантовой теории поля будет обрушится вместе с ним. Последствия будут далеко идущие последствия, затрагивающие наши предположения о структуре пространства-времени и даже сама причинность ".

В поисках запрещенных переходов

Английский и Г. И. Будкера, работая с Валерием Ящук, научный сотрудник в Расширенный источник света Лаборатории Беркли, была поставлена ​​задача проверить теоремы с помощью лазерных лучей для возбуждения электронов в атомах бария. Для экспериментаторов, барий атомы имеют особенно удобно двухфотонных переходов, в котором два фотона поглощаются одновременно и совместно способствовать подъема электронов атома к более высокое энергетическое состояние.

"Два-фотонных переходов не редкость", говорит на английском, "но то, что отличает их от однофотонных переходов является то, что не может быть два возможных пути к окончательной возбужденном состоянии - два пути, которые отличаются от порядка, в котором фотоны поглощаются в переходный период. Эти пути могут помешать, разрушительно или конструктивно. Один из факторов, который определяет, будет ли помех конструктивным или разрушительным, является ли фотоны являются бозонами или фермионами. "

В частности бария двухфотонного перехода исследователи использовали, спина и статистики теорема запрещает перехода, когда два фотона имеют одинаковую длину волны. Эти запрещено двухфотонные переходы разрешены все известные, кроме закона сохранения спина и статистики теоремы. Что английский, Ящук, и Г. И. Будкера искали были и исключения из этого правила, или, как английский выразился, "ведет себя как бозоны фермионов".

Эксперимент начинается с потока атомов бария, два лазера направлены на него с противоположных сторон, чтобы предотвратить нежелательные эффекты, связанные с атомной отдачи. Лазеры настроены на одну частоту, но имеют противоположные поляризации, которая необходима для сохранения углового момента. Если запрещенные переходы были вызваны двумя же длины волны фотонов из двух лазеров, они были бы обнаружены, когда атомы излучают определенный цвет флуоресцентного света.

Исследователи тщательно и неоднократно настроена через регион, где запрещено двухфотонного перехода, если таковой произойдет, было бы проявить себя. Они обнаружили ничего. Эти строгие результаты ограничить вероятность того, что два фотона может привести к нарушению связи спина со статистикой теорему: вероятность того, что два фотона в состоянии фермионного не лучше, чем один из ста миллиардов долларов - на сегодняшний день наиболее чувствительный тест еще при низких энергиях, которые вполне могут быть более чувствительны, чем аналогичные свидетельства высоких энергий коллайдеров частиц.

Г. И. Будкера подчеркивает, что это был "истинным настольный эксперимент, в состоянии сделать значительные открытия в физике элементарных частиц, не тратя миллиарды долларов." Ее прототипом была первоначально разработана Г. И. Будкера и Дэвид Де Милля, в настоящее время в Йельском университете, который в 1999 году были в состоянии серьезно ограничить вероятность фотонов, в "неправильных" (фермионный) состоянии. Последнего эксперимента, проведенного в Калифорнийском университете Беркли, использует более точный метод и улучшает на более ранний результат более чем на три порядка.

"Мы продолжаем искать, потому что экспериментальные испытания на все возрастающую чувствительность мотивированы основополагающее значение квантовой статистике», говорит Г. И. Будкера. "Спин-статистики связи является одним из самых основных предположений в нашем понимании фундаментальных законов природы".

"Спектроскопические испытание статистике Бозе-Эйнштейна для фотонов", на английском Дэймон, Валерий Ящук, и Дмитрий Г. И. Будкера, появляется в 25 июня вопрос о журнале Physical Review Letters и доступна в Интернете. Работа выполнена при поддержке Национального научного фонда.

Last Update: 3. October 2011 01:28

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