意大利地下实验室寻找量子引力信号

格兰萨索低放射性地下实验室。来源：Massimiliano De Deo，LNGS-INFN

几十年来，物理学家一直在寻找一种量子引力模型，该模型将统一量子物理学、支配极小事物的定律和引力。一个主要障碍是难以通过实验测试候选模型的预测。但一些模型预测了一种可以在实验室中探测的效应：对泡利不相容原理的基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排列方式。

在意大利格兰萨索山脉下的INFN地下实验室进行的一个项目一直在寻找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禁止的原子跃迁。

在《物理评论快报》（2022 年 9 月 19 日发表）和《物理评论 D》（2022 年 12 月 7 日接受发表）期刊上的两篇论文中，该团队报告说，到目前为止，尚未发现违反的证据，排除了一些量子重力模型。

在学校的化学课上，我们被教导说电子只能在原子中以某些特定的方式排列自己，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描述为旋转轴，指向向上或向下，尽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，我们是基于泡利排除原理的，”物理学智囊团、基础问题研究所、FQXi的成员、意大利INFN实验的首席物理学家Catalina Curceanu说。“我们不能越墙是另一个实际后果。

该原理扩展到与电子属于同一家族的所有基本粒子，称为费米子，并且在数学上从称为自旋统计定理的基本定理推导出来。到目前为止，它也已被实验证实，似乎适用于所有费米子。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，该原理可能被违反。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出色。但是，它不包括重力。

因此，物理学家一直试图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，支撑标准模型的各种属性，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'非交换'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。最流行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能量振动线。一些弦理论模型也预测了这种违规。

“我们报道的分析不利于量子引力的一些具体实现，”Curceanu说。

传统上认为很难测试这样的预测，因为量子引力通常只会在有大量引力集中在一个微小空间的领域变得相关 - 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）铅实验。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，罗马铅内将发生禁止的原子跃迁，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

实验室必须设在地下，因为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背景辐射淹没。“我们的实验室确保了所谓的'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，仅此还不够。

“我们的信号可能每天只有一到两个事件，或者更少，”Curceanu说。这意味着实验中使用的材料本身必须是“纯放射性的”——也就是说，它们本身不能发出任何辐射——并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基础，”Curceanu说。这使得团队能够对任何可能的违规行为的大小进行限制，并帮助他们约束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和四川大学的Andrea Addazi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，寻找微弱的信号来揭示时空的结构，”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，这在当今的加速器中是不可能的，”Curceanu补充道。“从理论和实验的角度来看，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，非交换量子引力模型的最强原子物理边界，《物理评论快报》（2022 年）。DOI： 10.1103/PhysRevLett.129.131301

克里斯蒂安·皮西基亚等人，VIP-2 铅对非交换量子引力的实验测试，物理评论 D （2022）。journals.aps.org/prd/accepted/......182249cd253e38bf3406

期刊信息： 物理评论快报 ， 物理评论D