Connect with us

Znanost

Fizika

Eksperimentalna provjera dosad najbolje teorije prirode

Osnove najbolje teorije koja opisuje subatomski svijet postavljene su još 1928. godine kada je teoretičar Paul Dirac povezao kvantnu mehaniku sa specijalnom teorijom relativnosti.

Na taj je način uspio objasniti ponašanje elektrona. Njegov je rad bio početak relativističke kvantne mehanike koja je postala jedan od sastavnih dijelova velike teorije kvantnog polja. Uz nekoliko pretpostavki i ad hoc prilagodbi, teorija kvantnog polja pokazala se doraslom problemu postavljanja temelja za Standardni model čestica i sila.

“Unatoč svemu, trebali bi imati na umu kako Standardni model nije konačna teorija, ne opisuje sve fenomene te je kao takva još uvijek nedovršena”, ističe Dmitry Budker, član znanstvenog osoblja na Odjelu za nuklearnu znanost pri nacionalnom laboratoriju Lawrence Berkeley, koji radi pod okriljem Odjela za energiju SAD-a. Dmitry Budker ujedno je i profesor fizike na Sveučilištu California smještenom upravo u Berkeleyju.

Budker već dugo radi na testiranju granica opće prihvaćenih teorija fizike. U članku objavljenom 25. lipnja u znanstvenom magazinu Physical Review Letters, on i njegovi kolege, objavili su detalje dosad najrigoroznijeg testiranja osnovnih postavki ponašanja čestica na razini atoma.

Zašto nam je potreban teorem vezan uz statistiku spina?
“Testirali smo jedan od glavnih stupova teorije kvantnog polja, teorem o statistici spina”, navodi Damon English, Budkerov bivši student koji sada pohađa postdoktorski studij na Odjelu za fiziku Sveučilišta California. Damon English ujedno je i vodeći znanstvenik ovog istraživanja. “Mi smo zapravo postavili sljedeće pitanje: Jesu li su fotoni uistinu savršeni bozoni?”

Prema teoremu o statistici spina, sve elementarne čestice moraju se moći svrstati u jednu od dvije skupine, fermione ili bozone. (Imena skupina potječu iz dvije vrste statistike, Fermi-Diracove i Bose-Einsteinove statistike. Fermi-Diracova statistika stoga objašnjava prirodu fermiona, a Bose-Einsteinova ponašanje bozona.)Dva elektrona ni u kojem slučaju ne mogu zauzimati isto kvantno stanje. Na primjer: dva elektrona u atomu neće nikada imati identičan set kvantnih brojeva. S druge strane, bilo koji broj bozona može zauzimati isto kvantno stanje. To je uostalom i jedan on razloga zašto laseri mogu funkcionirati.

Elektrone, neutrone, protone i još mnoge vrste elementarnih čestica svrstavamo u fermione. Bozoni su izrazito raznovrsna skupina koja između ostalog uključuje fotone sile elektromagnetskog zračenja, W i Z bozone slabe sile te čitav niz čestica poput jezgre deuterija ili pi mezona. Uzmemo li u obzir stupanj nereda u ovom zoološkom vrtu čestica, jasna nam je potreba za teoremom o statistici spina po kojem će se može odrediti koja je čestica fermion, a koja bozon.Bozone i fermione možemo razlikovati po spinu. Pri tom se ne misli na klasični spin koji opisuje vrtnju oko osi, već na kvantni koncept spina kao intrinzičnog kutnog momenta. Kvantni je spin ili cjelobrojan (0, 1, 2…) ili je polovica neparnog broja (1/2, 3/2…). Bozone karakterizira cjelobrojan spin, a fermione polovičan.

“Iako postoji matematički dokaz teorema o statistici spina, toliko je kompliciran da bi Vam ga trebao protumačiti kakav vrsni teoretičar kvantnog polja”, objašnjava Budker. “Svaki pokušaj nalaženja jednostavnijeg rješenja je propao pa čak i pokušaji nekih vrlo uglednih fizičara poput Richarda Feynmana. Dokaz se već sam po sebi zasniva na pretpostavkama od kojih su neke eksplicitne, a druge opet vrlo suptilne. Upravo je iz tog razloga nužno izvršiti eksperimentalnu provjeru teorema.

U potrazi za zabranjenim prijelazima
English i Budker, u suradnji s Valeriy Yashchuk, članicom znanstvenog osoblja na Laboratoriju za proučavanje naprednih izvora svjetla, Berkeley, teorem su testirali laserskom ekscitacijom elektrona u atomima barija. Znanstvenicima su atomi barija posebno pogodni za eksperimente zbog mogućnosti prijelaza uzrokovanog simultanom apsorpcijom dva fotona. Dva se fotona simultano apsorbiraju u atom pri čemu zajedno pridonose prijelazu elektrona u atomu na više energetske razine.

“Prijelazi uzrokovani simultanom apsorpcijom dva fotona nisu rijetki”, objašnjava English, ” Ono što ih razlikuje od prijelaza uzrokovanih apsorpcijom jednog fotona jest postojanje dva moguća puta do konačnog pobuđenog stanja. Ta se dva puta razlikuju redoslijedom kojim se fotoni apsorbiraju tijekom prijelaza. Ti putevi mogu utjecati jedan na drugog bilo destruktivno bilo konstruktivno. Jedan od faktora koji određuju je li međudjelovanje konstruktivno ili destruktivno jest priroda fotona, tj. jesu li fotoni fermioni ili bozoni.”

U posebnom dvo-fotonskom prijelazu u atomima barija, teorem o statistici spina zabranjuje prijelaz u slučaju kada fotoni karakteriziraju jednake valne duljine. Ove zabranjene dvo-fotonske prijelaze dozvoljava svaki drugi zakon očuvanja osim teorema o statistici spina. English, Yashchuk i Budker u biti su tražili iznimke ovom pravilu. English je to nazvao “potragom za bozonima koji se ponašaju kao fermioni.”

Eksperiment je započeo strujom atoma barija. Dva su lasera bila usmjerena na atome sa suprotnih strana ne bi li se izbjegli neželjeni efekti refleksije na atomu. Laseri su emitirali zračenje iste frekvencije, ali suprotne polarizacije, koja je nužna za očuvanje kutnog momenta. Kada bi zabranjeni prijelazi bili uzrokovani fotonima iste valne duljine iz dva različita lasera, atom bi emitirao fluorescentno zračenje točno određene valne duljine (boje). Znanstvenici su više puta pomno proanalizirali cijelo područje na kojem bi se moglo detektirati takve prijelaze, ukoliko su se dogodili.Detektirali nisu ništa. Ovi uvjerljivi dokazi smanjuju mogućnost postojanja bilo kojeg para fotona koji bi mogli narušiti teorem o statistici spina. Šanse da se dva fotona nađu u fermionskom stanju nisu viša od jedan naprema stotinu milijardi. Ovo potvrđuje dosad najosjetljiviji test na niskim energijama, čiji bi rezultati mogli biti vjerodostojniji od rezultata mjerenja na akceleratorima čestica na većim energijama.

Budker ističe kako je ovo uistinu bio “eksperiment po definiciji. Kroz ovaj smo eksperiment uspjeli dobiti važne rezultate bez da smo pritom morali potrošiti milijarde dolara.” Prototip opisanog eksperimenta osmislili su Budker i David DeMille, koji je sada na Yaleu. Njih su dvojca 1999. godine uspjeli ozbiljno smanjiti vjerojatnost postojanja fotona u “krivom” (fermionskom) stanju. Posljednji eksperiment, proveden na Sveučilištu Berkeley, zasniva se na znatno dorađenijoj metodi zbog čega su i rezultati čak tri reda veličini pouzdaniji.

“Mi nastavljamo svoju potragu jer razvoj eksperimentalnih provjera sa sve većom osjetljivosti nameće sama fundamentalnost kvantne statistike”, ističe Budker. “Povezanost spina i statistike jedna je od osnovnih postavki našeg razumijevanja fundamentalnih zakona prirode.”

Izvor: Lawrence Berkeley National Laboratory

Life is a sexually transmitted disease and there is a 100% mortality rate.

Ostavi komentar

Ostavi komentar

Vaša adresa e-pošte neće biti objavljena. Obavezna polja su označena sa *

Više u Fizika

Popularno

Pratite nas na Fejsu

Na Vrh