Experimentele efectuate în laboratoare subterane, precum cel din Italia de la Gran Sasso, pot să verifice limitele de valabilitate ale principiului de excluziune al lui Pauli. O violare a acestui principiu este prevăzută de modele ale teoriei gravitației cuantice. Un experiment recent la Gran Sasso a reușit să ajungă la limite extrem de puternice în verificarea acestor modele – până la scara lui Planck.

Principiul de excluziune al lui Pauli (PEP)

Cu toții învățăm la chimie cum se umplu orbitalii atomilor cu electroni: doi electroni pe nivelul 1s fundamental și așa mai departe. Cei doi electroni au spini opuși. Modul în care electronii se „așază” în orbitali este dat de așa-numitul principiu de excluziune al lui Pauli – cel care spune că într-un sistem (precum ar fi atomul) nu pot exista doi electroni cu toate numerele cuantice identice. Electronii nu sunt... prietenoși. Acest principiu a fost ulterior demonstrat de Pauli (care a primit premiul Nobel pentru această descoperire) dar și de alții în cadrul așa-numitei teoreme spin-statistică, cea care leagă simetria funcției de undă a unui sistem cuantic de spinul particulelor care-l formează, atunci când este vorba despre particule identice – precum electronii. Particulele cu spin semi-întreg (de exemplu electronii) au o funcție de undă anti-simetrică, în timp ce particulele cu spin întreg (precum fotonii) o funcție de undă simetrică. Acest principiu este extrem de important și îl întâlnim în fizică, chimie, biologie, dar și astrofizică – de exemplu în stelele de neutroni (neutronii fiind fermioni). Recent însă, atât din punct de vedere teoretic cât și experimental, se investighează o posibilă violare a acestui principiu, care ar putea avea loc în teoria gravitației cuantice.

Gravitația cuantică și violarea PEP

Dacă una dintre ipotezele care stă la baza teoremei spin-statistică nu ar fi valabilă, atunci PEP ar putea să nu fie valabil 100%; ar putea exista sisteme unde acest principiu este violat. Evident, vorbim despre efecte extrem de mici, altfel nu am fi aici noi înșine. În cadrul gravitației cuantice – teoria care pune împreună mecanica cuantică cu relativitatea generală, adică cu geometria spațiului și a timpului – ar putea exista condițiile pentru violarea PEP. Precizăm că încă nu avem o teorie a gravitației cuantice demonstrată și nu știm care este această teorie; există însă mai multe propuneri: de la teoria corzilor (string theory) la quantum loop. Ei bine, în modele ale acestor teorii geometria spațiului și a timpului poate fi ne-comutativă (simplificând, schimbând două puncte între ele din spațiu-timp nu obținem același lucru). În acest caz ar avea loc o violare a principiului lui Pauli care depinde de energie – dependența fiind în funcție de modelul folosit. Teste experimentale ale PEP pot deci reprezintă teste ale modelelor de gravitație cuantică.

Noi rezultate de la Gran Sasso

Un nou studiu al cărui rezultat a fost recent pubicat în revista Physical Review Letters (Phys. Rev. Lett. 129, 131301) având ca autor care a coordonat această cercetare pe semnatara acestui articol, prezintă rezultatele unui experiment efectuat la laboratorul subteran (sub munte) de la Gran Sasso în Italia, cu proiecte finanțate de INFN, de Centro Ricerche Enrico Fermi, de către Foundational Questions Institute (FQXi) și de către John Templeton Foundation, cu suportul LNGS-INFN,  unde s-a studiat o posibilă violare a PEP prin tranziții atomice în plumb interzise de PEP. Adică o tranziție a unui electron pe nivelul fundamental 1s care conține deja doi electroni; ar fi al treilea electron pe 1s – o evidentă violare a PEP. Experimentul nu a descoperit aceste tranziții, punând limite asupra probabilității de violare a PEP care au fost transformate în limite extrem de puternice ale modelelor de gravitație cuantică, în anumite modele ajungându-se la scara lui Planck  și chiar depășind-o (scara lui Planck este energia la care fizica actuală nu mai este valabilă – și se așteaptă să se măsoare efecte puternice ale unei noi teorii – cea a gravitației cuantice).

Planuri de viitor

Pentru viitor, planurile sunt de a efectua experimente și măsurători și mai performante. Se va ajunge să se pună noi limite pentru modelele gravitației cuantice sau, dimpotrivă, să se descopere violări ale unui principiu extrem de important – cel al lui Pauli. Ar reprezenta evident o revoluție în toată știință.

Credit imagine: Cătălina Curceanu (parte din grupul care a efectuat experimentul la Gran Sasso; de la stânga la dreapta: Fabrizio Napolitano, Alberto Clozza, Cătălina Curceanu și Marco Miliucci).

Rubrică realizată de Cătălina Curceanu, prim cercetător în domeniul fizicii particulelor elementare şi al fizicii nucleare, Laboratori Nazionali di Frascati, Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (Roma, Italia) şi Luminiţa Costea, profesoară de Fizică la Colegiul Naţional „Mihai Viteazul”, Sfântu Gheorghe