In un nuovo studio pubblicato su Nature Physics , gli scienziati della Collaborazione MAJORANA hanno testato il rigore della conservazione della carica e i principi di esclusione di Pauli utilizzando rilevatori sotterranei. Alessio Porcelli ha pubblicato un articolo News &Views sulla ricerca sulla stessa rivista.
Oggi, il Modello Standard della fisica delle particelle è uno dei due pilastri su cui poggia la fisica moderna. Spiega con successo tre delle quattro forze fondamentali e come si comportano le particelle subatomiche.
Il principio di esclusione di Pauli e la conservazione della carica sono due dei principi derivanti dalle simmetrie del Modello Standard. Hanno resistito a molte sfide teoriche e si sono ripetutamente dimostrati al punto da essere considerati assiomatici.
Ora, i ricercatori ritengono che piccole violazioni di questi principi potrebbero portare alla fisica oltre il Modello Standard, come forme esotiche di materia.
La Collaborazione MAJORANA è uno di questi esperimenti. Il progetto mira a esplorare il decadimento doppio beta senza neutrini, un tipo di decadimento radioattivo, sperando di stabilire se i neutrini sono particelle di Majorana.
La ricerca è frutto di una collaborazione internazionale di scienziati, tra cui il dottor Clint Wiseman dell'Università di Washington e il dottor Inwook Kim del Lawrence Livermore National Laboratory in California, coautori del rapporto Nature studiare.
Parlando a Phys.org, il Dr. Wiseman ha condiviso le motivazioni che stanno dietro questa ricerca:"Quando ho imparato per la prima volta la meccanica quantistica, mi è stato insegnato a mettere in discussione le cose presentate come principi incrollabili. I principi della meccanica quantistica, il fondamento del Modello Standard, sono fortemente radicati in noi perché hanno dimostrato di essere veri ancora e ancora.
"Mentre cerchiamo aree della nuova fisica da esplorare nel 21° secolo, può valere la pena tornare a quei principi e tentare di spingere i limiti della loro correttezza."
La profonda connessione tra simmetria e leggi di conservazione è stata rivelata dalla matematica Emmy Noether. Secondo il teorema di Noether, ogni legge di conservazione è profondamente connessa a una simmetria sottostante in natura.
"La nostra incapacità di creare o distruggere carica senza tenerne conto altrove è legata a una simmetria di questo tipo. L'incapacità di più di due elettroni di condividere lo stesso stato quantico rappresenta un'antisimmetria altrettanto importante della natura che gioca un ruolo essenziale nella il comportamento su larga scala della materia atomica," ha spiegato il dottor Wiseman.
Se si dimostrasse che questi principi vengono violati, ciò significherebbe la rottura delle simmetrie fondamentali.
"Il fatto che i fotoni siano verificati sperimentalmente come privi di massa è spesso considerato la prova che fondamentalmente vale la conservazione della carica. Tuttavia, le estensioni teoriche del Modello Standard, come alcuni modelli di gravità quantistica, potrebbero potenzialmente includere meccanismi che violano la conservazione della carica.
"Il principio di esclusione di Pauli deriva matematicamente direttamente dalla proprietà antisimmetrica delle funzioni d'onda fermioniche. Come nel caso della conservazione della carica, questo potrebbe essere violato in una struttura del modello oltre lo standard", ha detto il Dr. Kim a Phys.org. /P>
Come si collega tutto questo al lavoro svolto dal progetto MAJORANA? La particella di Majorana, se esistesse, sarebbe particella a sé stante. Al momento si tratta di puramente congetture, ma il neutrino potrebbe corrispondere alla descrizione.
Il neutrino è una particella molto sfuggente, il che rende difficile rilevarne e studiarne le proprietà. Una delle cose che gli scienziati non sono riusciti a stabilire è se si tratti della propria antiparticella, cioè una particella di Majorana.
Il progetto MAJORANA sta lavorando verso questo obiettivo cercando un processo ultra raro noto come doppio decadimento beta senza neutrini.
Il decadimento beta, come accennato in precedenza, è un processo di decadimento radioattivo. In questo processo, i neutroni decadono in protoni, positroni (noti come particelle beta e sono gli antielettroni) e antineutrini.
Il MAJORANA DEMONSTRATOR è costituito da rilevatori di germanio (Ge) altamente puro nelle profondità sotterranee per evitare radiazioni, come i raggi cosmici, che potrebbero interferire con esso. I rilevatori di Ge sono altamente sensibili alle energie rilasciate durante queste reazioni di decadimento beta.
In un doppio decadimento beta, abbiamo due decadimenti beta che avvengono simultaneamente e otteniamo due antineutrini insieme ai protoni e alle particelle beta. Tuttavia, nel caso senza neutrini, non osserveremmo neutrini, come suggerisce il nome.
Questo perché se il neutrino fosse una particella di Majorana, il neutrino di un decadimento beta annullerebbe le emissioni dell'antineutrino (dell'altro decadimento), risultando in nessuna emissione di neutrini, che il dimostratore MAJORANA è impostato per rilevare.
Il set di dati prelevato dalla serie di rilevatori ha costituito la base su cui i ricercatori hanno potuto studiare i limiti della conservazione della carica e il principio di esclusione di Pauli.
Testare i limiti
I ricercatori si sono concentrati su tre scenari, di cui il primo ha testato la conservazione della carica e gli altri due hanno testato il principio di esclusione di Pauli.
Cominciamo dal primo test:la non conservazione della carica. In questo scenario, i ricercatori stavano esplorando il decadimento elettronico all’interno di un atomo di Ge. Se un elettrone dovesse decadere, lascerebbe un posto vacante nell'orbitale dell'atomo, che sarebbe riempito da un elettrone proveniente da un orbitale diverso.
Questo processo provoca l'emissione di un fotone o di raggi X, indicando che la carica è bilanciata. Tuttavia, la mancata emissione indicherebbe una mancata conservazione della carica.
Nel caso del principio di esclusione di Pauli, i ricercatori si sono concentrati sulle interazioni di tipo I e di tipo III dei fermioni (in questo caso, elettroni).
Nelle interazioni di tipo I, abbiamo l'interazione tra un elettrone appena creato e un sistema di fermioni. Questo elettrone viene creato utilizzando la produzione di coppie dai raggi gamma.
Lo scopo era ora di osservare se questo elettrone appena creato avrebbe occupato un orbitale atomico completamente completato (come nel caso degli atomi di Ge), violando il principio di esclusione di Pauli secondo cui i fermioni occupano lo stesso stato. Se ciò accadesse davvero, osserverebbero un'emissione di raggi X.
Per lo scenario finale, interazioni di tipo III, le interazioni sono tra fermioni nello stesso sistema, cioè elettroni all'interno dell'atomo di Ge. Se un elettrone dovesse passare inaspettatamente dal suo orbitale a un altro orbitale pieno, verrebbe emesso un fotone o un raggio X e il principio di Pauli sarebbe in violazione.
Impostazione di nuovi vincoli e formazione della LEGENDA
I ricercatori hanno scoperto che tutti e tre gli scenari si sono svolti come previsto, senza violazioni.
"Non abbiamo trovato prove che i principi siano stati violati, fissando limiti più severi alle nuove teorie della fisica. Il limite di conservazione della carica è il più severo nel suo genere dal 1999", ha affermato il dottor Wiseman.
Il limite a cui si riferisce qui il Dr. Wiseman riguarda la durata media dell'elettrone che decade in tre neutrini (o materia oscura), che hanno stabilito essere maggiore di 2,83 × 10 25 anni, indicando l'elevata stabilità degli elettroni.
Inoltre, il dottor Kim ha aggiunto:"La nostra scoperta di nessuna firma suggerisce che questi due principi mantengono una precisione molto elevata, almeno nella misura in cui l'attuale tecnologia all'avanguardia è in grado di rilevare. Ciò rafforza ulteriormente la nostra fiducia nella validità di questi principi."
Il set di dati MAJORANA DEMONSTRATOR si è rivelato incredibilmente versatile. L'esperimento si sta espandendo formando una collaborazione più ampia chiamata LEGEND fondendosi con un altro rilevatore basato su Ge, Gerda.
"Utilizzando rilevatori di germanio ad alta risoluzione in un ambiente ultrapulito, LEGEND indagherà ulteriormente varie firme inaspettate che vanno oltre la fisica del Modello standard", ha affermato il dottor Kim.
Il dottor Wiseman ha concluso dicendo:"I risultati attuali convalidano l'accuratezza della meccanica quantistica e forniscono vincoli più rigorosi sugli sforzi futuri per costruire nuove teorie della fisica. Ciò richiederà più immaginazione, o come dice Feynman:immaginazione in una camicia di forza." /P>
Ulteriori informazioni: Ricerca della non conservazione della carica e della violazione del principio di esclusione di Pauli con il dimostratore Majorana, Nature Physics (2024). DOI:10.1038/s41567-024-02437-9
Alessio Porcelli, Alla ricerca degli elettroni che infrangono le regole, Fisica della Natura (2024). DOI:10.1038/s41567-024-02448-6
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