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

Test av Best-Men Theory of Nature

Published on June 24, 2010 at 9:26 PM

Den bästa teorin för att förklara subatomära världen fick sin början 1928 när teoretikern Paul Dirac kombination kvantmekaniken med speciell relativitetsteori för att förklara beteendet hos elektronen. Resultatet blev relativistisk kvantmekanik, som blev en viktig ingrediens i kvantfältteori. Med några antaganden och ad hoc-justeringar har kvantfältteori visat tillräckligt kraftfull för att ligga till grund för Standardmodellen av partiklar och krafter.

Två motsatta laserstrålar, identiska med undantag för polarisation, försök att excitera förbjudet två-photon övergångar i en stråle av barium atomer. (Bild Damon engelska)

"Trots det bör man komma ihåg att Standardmodellen är inte en slutgiltig teori för alla fenomen, och är därför till sin natur är ofullständig", säger Dmitry Budker, en anställd forskare i Nuclear Science Division av US Department of Energy är Lawrence Berkeley National Laboratory och en professor i fysik vid University of California i Berkeley.

Budker har länge varit intresserad av att testa allmänt accepterade grunderna för fysisk teori till sina gränser. I juni 25 Utfärdande av Physical Review Letters, han och hans kollegor rapporterar mest rigorösa prövningarna ännu av en grundläggande antagande om hur partiklar beter sig på atomnivå.

Varför behöver vi spinn-statistik teorem

"Vi testade en av de stora teoretiska grundpelarna i kvantfältteori, spinn-statistik sats", säger Damon engelska, Budker tidigare student och en forskarassistent i UC: s Institutionen för fysik, som ledde experimentet. "Egentligen var vi frågar, är fotoner verkligen perfekt bosoner?"

Den spin-statistik sats dikterar att alla grundläggande partiklar måste klassificeras i en av två typer, fermioner och bosoner. (Namnen kommer från statistik, Fermi-Dirac statistik och Bose-Einstein statistik, som förklarar deras beteenden.)

Inga två elektroner kan vara i samma kvanttillstånd. Till exempel kan inte två elektroner i en atom har identiska uppsättningar av kvanttal. Valfritt antal bosoner kan ockupera samma tillstånd, dock, bland andra fenomen, detta är vad som gör laserstrålar möjligt.

Elektroner, neutroner, protoner, och många andra partiklar av materia är fermioner. Bosoner är ett bestämt blandat gäng som inkluderar fotoner av elektromagnetiska kraften, W-och Z-bosoner av den svaga kraften, och sådana partiklar sak som deuteriumkärnor, pi mesoner, och en rad andra. Med tanke på tumult i denna partikel zoo, tar det spinn-statistik sats för att berätta vad som är en fermion och vad som är en boson.

Sättet att skilja dem åt är deras spin - inte den klassiska snurra en virvlande topp men inneboende rörelsemängdsmoment, ett stort begrepp. Quantum spin är antingen heltal (0, 1, 2 ...) eller halv heltal, ett udda antal halvor (1 / 2, 3 / 2 ...). Bosoner har heltal spinn. Fermioner har hälften heltal spinn.

"Det finns ett matematiskt bevis för spin-statistiken sats, men det är så svårbegripliga du måste vara en professionell kvantfältteori teoretiker att förstå det", säger Budker. "Varje försök att hitta en enkel förklaring har misslyckats, även av forskarna som framstående som Richard Feynman. Beviset i sig bygger på antaganden, några explicita, något subtilt. Det är därför experimentella undersökningar är väsentliga. "

Says engelska, "Om vi ​​skulle slå ner spin-statistik sats, skulle hela byggnad kvantfältteori kommit omkull med den. Konsekvenserna skulle bli omfattande och drabbar våra antaganden om strukturen på rumtiden och även kausalitet sig själv. "

På jakt efter förbjudna övergångar

Engelska och Budker, som arbetar med Valerij Yashchuk, en anställd forskare vid Berkeley Lab Advanced Light Source, bestämde sig för att testa sats med hjälp av laserstrålar att excitera elektronerna i barium atomer. För experimentatorerna har barium atomer särskilt bekväm två-photon övergångar, där två fotoner absorberas samtidigt och tillsammans bidrar till att lyfta en atoms elektroner till ett högre energitillstånd.

"Två-foton övergångar är inte ovanliga", säger engelska, "men det som skiljer dem från en enda fotonen övergångar är att det kan finnas två möjliga vägar till den slutliga exciterat tillstånd - två vägar som skiljer i den ordning som fotoner absorberas under övergången. Dessa vägar kan störa, destruktivt eller konstruktivt. En av de faktorer som avgör om störningen är konstruktiv eller destruktiv är om fotoner är bosoner och fermioner. "

I synnerhet barium två-photon övergången använde forskarna, förbjuder spinn-statistik sats övergången när de två fotoner har samma våglängd. Dessa förbjudna två-photon övergångar är tillåtna av alla kända bevarande lag utom spinn-statistik sats. Vad engelska, Yashchuk och Budker letade efter fanns undantag från denna regel, eller som engelska uttrycker det, "bosoner beter fermioner."

Experimentet börjar med en ström av barium atomer, två lasrar är inriktade på den från olika sidor för att förhindra oönskade effekter i samband med atomär rekyl. De lasrar är inställda på samma frekvens, men har motsatt polarisation, vilket är nödvändigt för att bevara rörelsemängdsmoment. Om förbjudna övergångar orsakades av två samma våglängd fotoner från de två lasrar, skulle de upptäckas när atomerna avger en viss färg av fluorescerande ljus.

Forskarna noggrant och upprepade gånger inställda genom den region där förbjudna två-photon övergångar, om något skulle inträffa, skulle avslöja sig själva. De upptäcks ingenting. Dessa stränga resultat begränsar sannolikheten att någon två fotoner kan bryta mot spin-statistik sats: chanserna för att två fotoner är i fermionic tillstånd är inte bättre än en på hundra miljarder kronor - den absolut mest känsliga test ännu vid låga energier, som kan mycket väl vara mer känsliga än liknande bevis från hög energi partikel kolliderare.

Budker betonar att detta var "en sann bordsskiva experiment, kunna göra betydande upptäckter inom partikelfysik utan att spendera miljarder dollar." Förebilden var ursprungligen fram av Budker och David DeMille, nu på Yale, som 1999 kunde allvarligt begränsa sannolikheten av fotoner att vara i en "fel" (fermionic) tillstånd. Det senaste försöket, som genomfördes vid UC Berkeley, använder en mer raffinerad metod och förbättrar det tidigare resultatet med mer än tre tiopotenser.

"Vi fortsätta leta, eftersom experimentella tester på ständigt ökande känslighet motiveras av den grundläggande vikten av kvantstatistik", säger Budker. "De spin-statistik anslutningen är ett av de mest grundläggande antaganden i vår förståelse av de grundläggande naturlagarna."

"Spektroskopiska test av Bose-Einstein statistik för fotoner," av Damon engelska, Valerij Yashchuk och Dmitry Budker visas i juni 25 Utfärdande av Physical Review Letters och finns tillgänglig online. Forskningen stöds av 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