Tegenwoordig is het standaardmodel van de deeltjesfysica een van de twee pijlers waarop de moderne natuurkunde rust. Het verklaart met succes drie van de vier fundamentele krachten en hoe subatomaire deeltjes zich gedragen.

Pauli's uitsluitingsprincipe en het behoud van lading zijn twee van de principes die voortkomen uit de symmetrieën in het standaardmodel. Ze hebben veel theoretische uitdagingen doorstaan ​​en hebben zich herhaaldelijk bewezen tot het punt waarop ze als axiomatisch worden beschouwd.

Nu zijn onderzoekers van mening dat kleine schendingen van deze principes kunnen leiden tot natuurkunde die verder gaat dan het standaardmodel, zoals exotische vormen van materie.

De MAJORANA-samenwerking is zo'n experiment. Het project heeft tot doel neutrinoloos dubbel bèta-verval te onderzoeken, een soort radioactief verval, in de hoop vast te stellen of neutrino's Majorana-deeltjes zijn.

Het onderzoek is een internationale samenwerking van wetenschappers, waaronder Dr. Clint Wiseman van de Universiteit van Washington en Dr. Inwook Kim van het Lawrence Livermore National Laboratory in Californië, die co-auteur was van de Nature studeren.

In een gesprek met Phys.org deelde Dr. Wiseman zijn motivatie achter dit streven:“Toen ik voor het eerst de kwantummechanica leerde, leerde ik dingen in twijfel te trekken die als onwankelbare principes werden gepresenteerd. De principes van de kwantummechanica – de basis van het standaardmodel – zijn zwaar zijn diepgeworteld in ons omdat ze steeds weer waar zijn gebleken.

"Als we op zoek zijn naar gebieden van de nieuwe natuurkunde die we in de 21e eeuw kunnen verkennen, kan het de moeite waard zijn om terug te gaan naar die principes en te proberen de grenzen van hun juistheid te verleggen."

Symmetrieën, behoud en Majoranadeeltjes

Het diepe verband tussen symmetrie en natuurbehoudswetten werd onthuld door de wiskundige Emmy Noether. Volgens de stelling van Noether is elke behoudswet nauw verbonden met een onderliggende symmetrie in de natuur.

‘Ons onvermogen om lading te creëren of te vernietigen zonder er elders rekening mee te houden houdt verband met een dergelijke symmetrie. Het onvermogen van meer dan twee elektronen om dezelfde kwantumtoestand te delen vertegenwoordigt een even belangrijke antisymmetrie van de natuur die een essentiële rol speelt in het grootschalige gedrag van atomaire materie”, legt Dr. Wiseman uit.

Als zou worden aangetoond dat deze principes worden geschonden, zou dit het doorbreken van fundamentele symmetrieën betekenen.

“Het feit dat de fotonen experimenteel zijn geverifieerd als massaloos wordt vaak beschouwd als het bewijs dat het ladingsbehoud fundamenteel stand houdt. Theoretische uitbreidingen van het Standaardmodel zouden echter, net als bepaalde kwantumzwaartekrachtmodellen, mogelijk mechanismen kunnen omvatten die het ladingsbehoud schenden.

"Het uitsluitingsprincipe van Pauli is wiskundig rechtstreeks afgeleid van de antisymmetrische eigenschap van fermionische golffuncties. Net als in het geval van ladingsbehoud zou dit kunnen worden geschonden in een raamwerk dat verder gaat dan het standaardmodel", vertelde Dr. Kim aan Phys.org. /P>

Hoe verhoudt dit zich tot het werk dat door het MAJORANA-project wordt gedaan? Het Majorana-deeltje zou, als het bestaat, zijn eigen deeltje zijn. Dit is op dit moment puur een vermoeden, maar het neutrino zou wel eens aan deze beschrijving kunnen voldoen.

Het neutrino is een zeer ongrijpbaar deeltje, waardoor het moeilijk is de eigenschappen ervan te detecteren en te bestuderen. Een van de dingen die wetenschappers niet hebben kunnen vaststellen is of het zijn eigen antideeltje is, dat wil zeggen een Majorana-deeltje.

Het MAJORANA-project werkt aan dit doel door te zoeken naar een uiterst zeldzaam proces dat bekend staat als neutrinoloos dubbel bèta-verval.

Bètaverval- en ondergrondse detectoren

Bètaverval is, zoals eerder vermeld, een radioactief vervalproces. In dit proces vervallen neutronen in protonen, positronen (die bekend staan ​​als bètadeeltjes en de anti-elektronen zijn) en antineutrino's.

De MAJORANA DEMONSTRATOR bestaat uit zeer zuivere germanium (Ge)-detectoren diep onder de grond om straling, zoals kosmische straling, te vermijden die deze zou kunnen verstoren. De Ge-detectoren zijn zeer gevoelig voor de energie die vrijkomt tijdens deze bèta-vervalreacties.

Bij een dubbel bèta-verval vinden er twee bèta-verval tegelijkertijd plaats, en krijgen we twee antineutrino's samen met de protonen en bètadeeltjes. In het geval zonder neutrino's zouden we echter geen neutrino's waarnemen, zoals de naam doet vermoeden.

Dit komt omdat als het neutrino een Majorana-deeltje zou zijn, het neutrino van het ene bèta-verval de emissies van het antineutrino (van het andere verval) zou opheffen, wat resulteert in geen neutrino-emissies, wat de MAJORANA-demonstrator zal detecteren.

De dataset van de detectorarray vormde de basis voor de onderzoekers om de grenzen van het ladingsbehoud en het uitsluitingsprincipe van Pauli te bestuderen.

De limieten testen

De onderzoekers concentreerden zich op drie scenario's, waarbij het eerste het behoud van de lading testte en de andere twee het uitsluitingsprincipe van Pauli testten.

Laten we beginnen met de eerste test:niet-behoud van kosten. In dit scenario onderzochten de onderzoekers elektronenverval binnen een Ge-atoom. Als een elektron zou vervallen, zou er een vacature ontstaan ​​in de orbitaal van het atoom, die wordt opgevuld door een elektron uit een andere orbitaal.

Dit proces resulteert in de emissie van een foton of röntgenstraal, wat aangeeft dat de lading in evenwicht is. Het gebrek aan emissie zou echter duiden op een niet-behoud van lading.

In het geval van Pauli's uitsluitingsprincipe concentreerden de onderzoekers zich op type I- en type III-interacties van fermionen (in dit geval elektronen).

Bij type I-interacties hebben we interactie tussen een nieuw gecreëerd elektron en een systeem van fermionen. Dit elektron wordt gecreëerd door middel van paarproductie uit gammastraling.

Het doel was nu om te observeren of dit nieuw gecreëerde elektron een volledig voltooide atomaire orbitaal zou bezetten (zoals het geval is voor Ge-atomen), wat in strijd zou zijn met Pauli's uitsluitingsprincipe over fermionen die dezelfde toestand bezetten. Als dit inderdaad zou gebeuren, zouden ze een röntgenstraling waarnemen.

Voor het laatste scenario, type III-interacties, vinden de interacties plaats tussen fermionen in hetzelfde systeem, dat wil zeggen elektronen binnen het Ge-atoom. Als een elektron onverwachts van zijn orbitaal naar een andere gevulde orbitaal zou overgaan, zou er een foton of röntgenstraal worden uitgezonden, en zou het principe van Pauli in strijd zijn.

Nieuwe beperkingen instellen en LEGENDE vormen

De onderzoekers ontdekten dat alle drie de scenario's verliepen zoals verwacht, zonder overtredingen.

"We hebben geen bewijs gevonden dat de principes worden geschonden, waardoor strengere grenzen worden gesteld aan nieuwe natuurkundige theorieën. De limiet voor ladingbehoud is de strengste in zijn soort sinds 1999", aldus Dr. Wiseman.

De limiet waar Dr. Wiseman hier naar verwijst, ligt op de gemiddelde levensduur van het elektron dat vervalt tot drie neutrino's (of donkere materie), waarvan zij hebben vastgesteld dat deze groter is dan 2,83 × 10 ²⁵ jaar, wat wijst op de hoge stabiliteit van elektronen.

Verder voegde Dr. Kim eraan toe:“Onze bevinding dat er geen handtekening is, suggereert dat deze twee principes een zeer hoge nauwkeurigheid hanteren – tenminste voor zover de huidige state-of-the-art technologie kan detecteren. Dit versterkt ons vertrouwen in de geldigheid van deze principes."

De MAJORANA DEMONSTRATOR-dataset bleek ongelooflijk veelzijdig te zijn. Het experiment wordt uitgebreid door een grotere samenwerking te vormen, genaamd LEGEND, door te fuseren met een andere Ge-gebaseerde detector, Gerda.

"Door germaniumdetectoren met hoge resolutie in een ultraschone omgeving te gebruiken, zal LEGEND diverse onverwachte kenmerken verder onderzoeken die verder gaan dan de fysica van het Standaardmodel", aldus Dr. Kim.

Dr. Wiseman sloot af met de woorden:"De huidige resultaten bevestigen de nauwkeurigheid van de kwantummechanica en stellen strengere eisen aan toekomstige pogingen om nieuwe natuurkundige theorieën te construeren. Dit zal meer verbeeldingskracht vergen, of zoals Feynman het uitdrukte:verbeelding in een dwangbuis." /P>

Meer informatie: Zoek naar schending van het niet-behoudsbeginsel en het uitsluitingsprincipe van Pauli met de Majorana Demonstrator, Natuurfysica (2024). DOI:10.1038/s41567-024-02437-9

Alessio Porcelli, Zoeken naar regelovertredende elektronen, Natuurfysica (2024). DOI:10.1038/s41567-024-02448-6

Journaalinformatie: Natuurfysica , Natuur

© 2024 Science X Netwerk