Experimente efectuate în laboratoare subterane, precum cel de la Gran Sasso în Italia, vânează posibile semnale prevăzute de modele de gravitație cuantică. Aceste modele prevăd o violare a principiului de excluziune al lui Pauli. Un experiment recent, VIP-2 Lead, efectuat la Gran Sasso a reușit să stabilească limite extrem de puternice în verificarea unei întregi clase de modele.

Ce este principiul de excluziune al lui Pauli (PEP)?

La școală învățăm la chimie cum se umplu orbitalii atomilor cu electroni, începând cu doi electroni pe nivelul 1s. 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, de exemplu atomul, nu pot exista doi electroni cu toate numerele cuantice identice. 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 alcătuiesc, atunci când este vorba despre particule identice – precum electronii. Particulele cu spin semi-întreg (cum sunt 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) sau electronică. 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 anumite modele ale gravitației cuantice.

Teoria gravitației cuantice și violarea PEP

PEP ar putea să nu fie valabil 100% dacă (cel puțin) una dintre ipotezele care stau la baza teoremei spin-statistică nu ar fi valabilă; ar putea exista sisteme unde acest principiu este violat. Efectele ar fi extrem de mici, altfel nu am mai exista nici măcar noi. În cadrul gravitației cuantice – teoria care unește mecanica cuantică cu relativitatea generală, respectiv cu geometria spațiului și a timpului – ar putea exista condiții pentru violarea PEP. Nu avem încă o teorie a gravitației cuantice demonstrată experimental; există însă mai multe propuneri: de la teoria corzilor (string theory) la quantum loop. În anumite modele ale acestor teorii, geometria spațiului și a timpului poate fi necomutativă (adică schimbând două puncte între ele din spațiu-timp nu obținem același lucru). În aceste condiții se poate demonstra că are loc o violare a principiului lui Pauli cu o probabilitate care depinde de energie – dependența fiind în funcție de modelul folosit. Teste experimentale ale valabilității Principiului lui Pauli pot deci reprezenta teste ale modelelor de gravitație cuantică.

Experimentul VIP-2 Lead de la Gran Sasso

Un nou studiu al cărui rezultat a fost recent publicat în revista Universe (Universe 2023, 9(7), 321) având ca autor care a coordonat această cercetare pe autoarea acestui articol, prezintă rezultatele experimentului VIP-2 Lead 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 în tranziții atomice în plumb. Practic s-au căutat tranziții atomice pe nivelul fundamental în plumb (un plumb extrem de pur) interzise de PEP cu detectoare de germaniu. Cu alte cuvinte tranziții ale electronilor pe nivelul fundamental 1s care conține deja doi electroni; ar fi, în acest caz, un 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 puternice ale modelelor de gravitație cuantică studiate (în special modele de tip „triply special relativity,” propuse de Kowalski-Glikman și Smolin), în anumite modele ajungându-se la scara 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).

Noi măsurători în 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 știința și ar putea reprezenta o demonstrație indirectă a teoriei gravitației cuantice.

Credit imagine: LNGS

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.