意大利地下实验室寻找量子引力信号

几十年来，物理学家一直在寻找一种量子引力模型，以统一量子物理学、支配极小事物的定律和引力。一个主要障碍是难以通过实验测试候选模型的预测。但是一些模型预测了一种可以在实验室中探测的效应：对称为泡利不相容原理的基本量子原理的非常小的违反，例如，它决定了电子在原子中的排列方式。FQXi资助的项目在意大利格兰萨索山脉下的 INFN 地下实验室开展，一直在寻找这种违规行为产生的辐射迹象，以泡利不相容原理禁止的原子跃迁形式出现。在期刊上发表的两篇论文中Physical Review Letters(2022 年 9 月 19 日出版)和Physical Review D(2022 年 12 月 7 日接受出版) 团队报告说，到目前为止，没有发现违规证据，排除了一些量子引力模型。

“你，我，我们是基于泡利排除原理的。我们不能跨墙的事实是另一个结果，”Curceanu 说。

“泡利不相容原理是我们理解物质结构及其稳定性的主要支柱，”FQXi基础问题研究所物理智库成员 Catalina Curceanu 说，以及意大利 INFN 实验的首席物理学家。在学校的化学课上，我们被教导电子只能以某些特定的方式排列在原子中，结果证明这是由于泡利不相容原理。在原子的中心是原子核，原子核被轨道和电子包围。例如，第一个轨道只能容纳两个电子。奥地利物理学家沃尔方泡利在 1925 年提出的泡利不相容原理说，没有两个电子可以具有相同的量子态;因此，在原子的第一个轨道中，两个电子具有相反指向的“自旋”(一种量子内部属性，通常被描述为旋转轴，指向上方或下方，尽管电子中不存在文字轴)。这对人类来说令人高兴的结果是，这意味着物质不能穿过其他物质。“它无处不在——你、我，我们都是基于泡利排除原理的，”Curceanu 说。“我们不能越墙这一事实是另一个实际后果。”

该原理扩展到与电子属于同一族的所有基本粒子，称为费米子，并且从数学上从称为自旋统计定理的基本定理推导出来。它也已经通过实验得到证实——到目前为止——似乎对测试中的所有费米子都成立。泡利不相容原理构成了粒子物理学标准模型的核心原则之一。

违反原则

但是一些超越标准模型的物理学推测模型表明，该原则可能被违反。几十年来，物理学家一直在寻找现实的基本理论。标准模型非常擅长解释微观尺度上的粒子行为、相互作用和量子过程。但是，它不包括重力。因此，物理学家一直在努力发展一种统一的量子引力理论，其中一些版本预测在极端情况下可能会违反支持标准模型的各种属性，例如泡利不相容原理。“其中许多违规行为自然发生在所谓的‘非交换’量子引力理论和模型中，例如我们在论文中探讨的那些理论和模型，”Curceanu 说。最受欢迎的候选量子引力框架之一是弦理论，它将基本粒子描述为多维空间中微小的振动能量线。一些弦理论模型也预测了这种违反。

“我们报告的分析不支持量子引力的一些具体实现，”Curceanu 说。

传统上人们认为很难检验这样的预测，因为量子引力通常只在有大量引力集中在一个微小空间中的领域才有意义——想想黑洞的中心或宇宙的开端。然而，Curceanu 和她的同事们意识到，可能存在一种微妙的影响——一种违反不相容原理和自旋统计定理的特征——可以在地球上的实验室实验中发现。

在意大利拉奎拉镇附近的格兰萨索山脉深处，Curceanu 的团队正在进行 VIP-2(违反泡利原理)先导实验。该装置的核心是一块由罗马铅制成的厚块，附近有一个锗探测器，可以检测到铅发出的微小辐射迹象。这个想法是，如果违反泡利不相容原理，罗马铅内将发生禁止的原子跃迁，产生具有不同能量信号的 X 射线。该 X 射线可以被锗检测器拾取。

宇宙寂静

实验室必须设在地下，因为这样一个过程的辐射信号非常微弱，否则它会被地球上宇宙射线的一般背景辐射淹没。“我们的实验室确保了所谓的‘宇宙寂静’，从某种意义上说，格兰萨索山将宇宙射线的通量减少了一百万倍，”Curceanu 说。然而，仅此还不够。“我们的信号可能每天只发生一两个事件，或者更少，”Curceanu 说。这意味着实验中使用的材料本身必须是“无线电纯的”——也就是说，它们本身不能发射任何辐射——而且设备必须屏蔽来自山岩的辐射和来自地下的辐射。

“非常令人兴奋的是，我们可以以如此高的精度探测一些量子引力模型，这在当今的加速器上是不可能做到的，”Curceanu 说。

在他们最近发表于 9 月的Physical Review Letters论文中，以及在Physical Review D中的后续论文中(12 月接受)，团队报告没有发现违反泡利原理的证据。“FQXi 资助是开发数据分析技术的基础，”Curceanu 说。这使团队能够对任何可能违规的规模设定限制，并帮助他们限制一些提议的量子引力模型。特别是，该团队分析了所谓的“theta-Poincaré”模型的预测，并能够排除普朗克尺度(已知经典万有引力定律失效的尺度)模型的某些版本。此外，“我们报告的分析不支持量子引力的一些具体实现，”Curceanu 说。

该团队现在计划将其研究扩展到其他量子引力模型，他们的理论家同事来自复旦大学的 Antonino Marcianò 和来自四川大学的 Andrea Addazi，他们都在中国。“在实验方面，我们将使用新的目标材料和新的分析方法来寻找微弱的信号来揭开时空的结构，”Curceanu 说。

“非常令人兴奋的是，我们可以以如此高的精度探测一些量子引力模型，这在当今的加速器上是不可能做到的，”Curceanu 补充道。“无论从理论还是实验的角度来看，这都是一个巨大的飞跃。”

这项工作得到了 FQXi 的物理世界意识计划的部分支持。