格兰萨索低放射性地下实行室。泉源：Massimiliano De Deo，LNGS-INFN
几十年来，物理学家不停在探求一种量子引力模型，该模型将统一量子物理学、支配极小事物的定律和引力。一个主要停滞是难以通过实行测试候选模型的推测。但一些模型推测了一种可以在实行室中探测的效应：对泡利不相容原理的根本量子原则的非常小的违反，例如，泡利不相容原理决定了电子在原子中的分列方式。
在意大利格兰萨索山脉下的INFN地下实行室进行的一个项目不停在探求这种违规行为产生的辐射迹象，其形式是泡利不相容原理所克制的原子跃迁。
在《物理品评快报》（2022 年 9 月 19 日发表）和《物理品评 D》（2022 年 12 月 7 日担当发表）期刊上的两篇论文中，该团队报告说，到现在为止，尚未发现违反的证据，清除了一些量子重力模型。
在学校的化学课上，我们被辅导说电子只能在原子中以某些特定的方式分列本身，这原来是由于泡利不相容原理。在原子的中心是原子核，周围环绕着轨道，有电子。例如，第一个轨道只能容纳两个电子。奥地利物理学家沃尔芒·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，在原子的第一轨道上，两个电子具有相反的指向“自旋”（量子内部属性通常被形貌为旋转轴，指向向上或向下，只管电子中不存在字面轴）。
对人类来说，这样做的快乐结果是，这意味着物质不能通过其他物质。“这是无处不在的——你，我，我们是基于泡利清除原理的，”物理学智囊团、底子问题研究所、FQXi的成员、意大利INFN实行的首席物理学家Catalina Curceanu说。“我们不能越墙是另一个现实后果。
该原理扩展到与电子属于同一家属的所有根本粒子，称为费米子，而且在数学上从称为自旋统计定理的根本定理推导出来。到现在为止，它也已被实行证明，似乎实用于所有费米子。泡利不相容原理构成了粒子物理学尺度模型的核心原则之一。
违反原则
但是，一些逾越尺度模型的物理学推测模型表明，该原理可能被违反。几十年来，物理学家不停在探求现实的根本理论。尺度模型在解释微观尺度上的粒子行为、相互作用和量子过程方面非常精彩。但是，它不包括重力。
因此，物理学家不停试图发展一种统一的量子引力理论，其中一些版本推测，在极端情况下，支撑尺度模型的各种属性，如泡利不相容原理，可能会被违反。
“许多这些违规行为自然发生在所谓的'非互换'量子引力理论和模型中，例如我们在论文中探索的那些，”Curceanu说。最盛行的候选量子引力框架之一是弦理论，它将根本粒子形貌为多维空间中微小的能量振动线。一些弦理论模型也推测了这种违规。
“我们报道的分析不利于量子引力的一些详细实现，”Curceanu说。
传统上认为很难测试这样的推测，由于量子引力通常只会在有大量引力集中在一个微小空间的范畴变得相干 - 想想黑洞的中心或宇宙的开始。
然而，Curceanu和她的同事意识到，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——可以在地球上的实行室实行中发现。
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）铅实行。该装置的核心是一个由罗马铅制成的厚块，附近的锗探测器可以拾取铅发出的小辐射迹象。
这个想法是，如果违反泡利不相容原理，罗马铅内将发生克制的原子跃迁，产生具有明显能量信号的X射线。这种X射线可以被锗探测器拾取。
宇宙寂静
实行室必须设在地下，由于这种过程的辐射信号将非常微弱，否则它将被地球上宇宙射线的一般配景辐射淹没。“我们的实行室确保了所谓的'宇宙沉默'，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，仅此还不敷。
“我们的信号可能天天只有一到两个事件，大概更少，”Curceanu说。这意味着实行中使用的质料本身必须是“纯放射性的”——也就是说，它们本身不能发出任何辐射——而且仪器必须免受来自山岩的辐射和来自地下的辐射。
“非常令人高兴的是，我们可以以云云高的精度探测一些量子引力模型，这在当今的加快器中是不可能的，”Curceanu说。
在他们最近的论文中，该团队报告说没有发现违反泡利原则的证据。“FQXi资金是开发数据分析技术的底子，”Curceanu说。这使得团队可以或许对任何可能的违规行为的巨细进行限定，并资助他们约束一些提议的量子引力模型。
特殊是，该团队分析了所谓的“theta-Poincaré”模型的推测，并可以或许清除普朗克尺度（已知的经典引力定律分解的尺度）模型的某些版本。此外，“我们报道的分析不利于量子引力的一些详细实现，”Curceanu说。
该团队如今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和四川大学的Andrea Addazi都在中国。“在实行方面，我们将使用新的目标质料和新的分析方法，探求微弱的信号来显现时空的结构，”Curceanu说。
“非常令人高兴的是，我们可以以云云高的精度探测一些量子引力模型，这在当今的加快器中是不可能的，”Curceanu补充道。“从理论和实行的角度来看，这都是一个巨大的飞跃。
更多信息：克里斯蒂安·皮西基亚等人，非互换量子引力模型的最强原子物理界限，《物理品评快报》（2022 年）。DOI： 10.1103/PhysRevLett.129.131301
克里斯蒂安·皮西基亚等人，VIP-2 铅对非互换量子引力的实行测试，物理品评 D （2022）。journals.aps.org/prd/accepted/......182249cd253e38bf3406
期刊信息： 物理品评快报 ， 物理品评D |
