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지하 이탈리아 실험실에서 양자 중력 신호 검색

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Gran Sasso 저 방사능 지하 실험실. 크레딧: Massimiliano De Deo, LNGS-INFN

수십 년 동안 물리학자들은 양자 물리학, 아주 작은 것을 지배하는 법칙 및 중력을 통합할 양자 중력 모델을 찾아왔습니다. 한 가지 주요 장애물은 후보 모델의 예측을 실험적으로 테스트하는 데 어려움이 있다는 것입니다. 그러나 일부 모델은 실험실에서 테스트할 수 있는 효과를 예측합니다. 예를 들어 전자가 원자에 배열되는 방식을 결정하는 파울리 배타 원리라고 하는 근본적인 양자 원칙에 대한 아주 작은 위반입니다.

이탈리아 Gran Sasso 산 아래 INFN 지하 실험실에서 수행된 프로젝트는 파울리 배타 원리에 의해 금지된 원자 전이의 형태로 이러한 위반에 의해 생성된 방사선의 징후를 찾고 있습니다.

저널에 게재된 두 개의 논문에서 물리적 검토 편지 (2022년 9월 19일 발행) 및 물리적 검토 D (2022년 12월 7일 발행 허용) 팀은 지금까지 일부 양자 중력 모델을 제외하고 위반 증거가 발견되지 않았다고 보고했습니다.

학교 화학 수업에서 우리는 전자가 원자에서 특정 방식으로만 배열될 수 있다고 배웁니다. 이는 파울리 배타 원리 때문인 것으로 밝혀졌습니다. 원자의 중심에는 전자가 있는 오비탈로 둘러싸인 원자핵이 있습니다. 예를 들어 첫 번째 오비탈에는 두 개의 전자만 수용할 수 있습니다. 1925년 오스트리아의 물리학자 볼프강 파울리가 공식화한 파울리 배타 원리는 두 개의 전자가 동일한 양자 상태를 가질 수 없다고 말합니다. 따라서 원자의 첫 번째 궤도에서 두 전자는 반대 방향으로 가리키는 “스핀”(전자에는 문자 그대로의 축이 존재하지 않지만 일반적으로 위 또는 아래를 가리키는 회전축으로 묘사되는 양자 내부 속성)을 갖습니다.

인간에게 이것의 행복한 결과는 물질이 다른 물질을 통과할 수 없다는 것을 의미한다는 것입니다. 물리학 싱크탱크, 기초 질문 연구소, FQXi의 회원이자 INFN의 수석 물리학자인 Catalina Curceanu는 “그것은 어디에나 있습니다. 당신, 나, 우리는 파울리 배제 원칙 기반입니다.” 이탈리아. “우리가 벽을 넘을 수 없다는 사실은 또 다른 실질적인 결과입니다.”

이 원리는 페르미온이라고 하는 전자와 같은 족에 속하는 모든 기본 입자로 확장되며 스핀 통계 정리로 알려진 기본 정리에서 수학적으로 파생되었습니다. 그것은 또한 지금까지 테스트에서 모든 페르미온에 대해 유지되는 것으로 보이는 실험적으로 확인되었습니다. Pauli 배제 원리는 입자 물리학의 표준 모델의 핵심 교리 중 하나를 형성합니다.

원칙 위반

그러나 표준 모델을 넘어서는 일부 추측 물리학 모델은 원칙이 위반될 수 있음을 시사합니다. 수십 년 동안 물리학자들은 실재에 관한 근본적인 이론을 찾아왔습니다. 표준 모델은 마이크로 스케일에서 입자, 상호 작용 및 양자 프로세스의 동작을 설명하는 데 탁월합니다. 그러나 중력은 포함하지 않습니다.

따라서 물리학자들은 파울리 배타 원리와 같은 표준 모델을 뒷받침하는 다양한 속성이 극단적인 상황에서 위반될 수 있다고 예측하는 일부 버전의 양자 중력에 대한 통합 이론을 개발하려고 노력해 왔습니다.

Curceanu는 “이러한 위반 중 많은 부분이 소위 ‘비가환적’ 양자 중력 이론 및 모델에서 자연적으로 발생하고 있습니다. 가장 인기 있는 양자 중력 프레임워크 후보 중 하나는 기본 입자를 다차원 공간에서 진동하는 작은 에너지 실로 설명하는 끈 이론입니다. 일부 끈 이론 모델도 이러한 위반을 예측합니다.

Curceanu는 “우리가 보고한 분석은 양자 중력의 일부 구체적인 실현을 선호하지 않습니다.”라고 말했습니다.

전통적으로 양자 중력은 블랙홀의 중심이나 우주의 시작과 같이 작은 공간에 막대한 양의 중력이 집중되어 있는 경기장에서만 관련이 있기 때문에 그러한 예측을 테스트하는 것은 어렵다고 생각됩니다.

그러나 Curceanu와 그녀의 동료들은 지구상의 실험실 실험에서 포착할 수 있는 미묘한 효과(배제 원리와 스핀 통계 정리가 위반되었다는 신호)가 있을 수 있음을 깨달았습니다.

이탈리아 L’Aquila 마을 근처의 Gran Sasso 산맥 깊은 곳에서 Curceanu 팀은 VIP-2(파울리 원칙 위반) 리드 실험을 진행하고 있습니다. 장치의 중심에는 로마 납으로 만든 두꺼운 블록이 있으며 근처에 납에서 나오는 작은 방사선 신호를 포착할 수 있는 게르마늄 탐지기가 있습니다.

아이디어는 Pauli 배타 원칙이 위반되면 로마 납 내에서 금지된 원자 전이가 발생하여 뚜렷한 에너지 신호로 X선을 생성한다는 것입니다. 이 X선은 게르마늄 검출기로 포착할 수 있습니다.

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우주적 침묵

연구실은 지하에 있어야 합니다. 그러한 과정에서 발생하는 방사선 신호가 너무 약하기 때문입니다. Curceanu는 “우리 연구실은 Gran Sasso 산이 우주 광선의 플럭스를 백만 배 줄인다는 의미에서 ‘우주적 침묵’이라고 불리는 것을 보장합니다.”라고 말했습니다. 그러나 그것만으로는 충분하지 않습니다.

Curceanu는 “우리의 신호는 하루에 한두 가지 이벤트 또는 그 이하의 가능한 비율을 가지고 있습니다.”라고 말했습니다. 즉, 실험에 사용된 재료 자체가 “순수한 방사선”이어야 합니다. 즉, 자체적으로 방사선을 방출하지 않아야 하며 장치는 산암석에서 나오는 방사선과 지하에서 나오는 방사선으로부터 차폐되어야 합니다.

Curceanu는 “매우 흥미로운 점은 현재의 가속기에서는 불가능한 높은 정밀도로 일부 양자 중력 모델을 테스트할 수 있다는 것입니다.”라고 말했습니다.

최근 논문에서 팀은 Pauli 원칙을 위반한 증거를 찾지 못했다고 보고했습니다. Curceanu는 “FQXi 자금 지원은 데이터 분석 기술을 개발하는 데 기본이 되었습니다.”라고 말했습니다. 이를 통해 팀은 위반 가능성의 크기에 대한 제한을 설정할 수 있었고 제안된 일부 양자 중력 모델을 제한하는 데 도움이 되었습니다.

특히, 연구팀은 소위 “세타-푸앵카레” 모델의 예측을 분석하고 모델의 일부 버전을 플랑크 척도(알려진 고전 중력 법칙이 무너지는 척도)로 배제할 수 있었습니다. 또한 “우리가 보고한 분석은 양자 중력의 일부 구체적인 실현을 선호하지 않습니다.”라고 Curceanu는 말합니다.

연구팀은 현재 중국 푸단 대학교의 이론가인 Antonino Marcianò와 쓰촨 대학교의 Andrea Addazi와 함께 연구를 다른 양자 중력 모델로 확장할 계획입니다. Curceanu는 “실험적 측면에서 우리는 새로운 대상 물질과 새로운 분석 방법을 사용하여 희미한 신호를 검색하여 시공간 구조를 밝힐 것”이라고 말했습니다.

Curceanu는 “매우 흥미로운 점은 현재의 가속기에서는 불가능한 높은 정밀도로 일부 양자 중력 모델을 테스트할 수 있다는 것”이라고 덧붙였습니다. “이것은 이론적 및 실험적 관점 모두에서 큰 도약입니다.”

추가 정보:
Kristian Piscicchia 외, 비가환 양자 중력 모델에 대한 가장 강력한 원자 물리학 경계, 물리적 검토 편지 (2022). DOI: 10.1103/PhysRevLett.129.131301

Kristian Piscicchia 외, VIP-2 Lead에 의한 비가환 양자 중력의 실험적 테스트, 물리적 검토 D (2022). journals.aps.org/prd/accepted/ … 182249cd253e38bf3406

Foundational Questions Institute, FQXi에서 제공

소환: https://phys.org/news/2022-12-underground-italian-lab-quantum-gravity.html에서 2022년 12월 20일 검색된 양자 중력 신호에 대한 지하 이탈리아 실험실 검색(2022년 12월 19일)

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