En un nuevo estudio publicado enNature Physics , los científicos de la Colaboración MAJORANA han probado la rigurosidad de la conservación de la carga y los principios de exclusión de Pauli utilizando detectores subterráneos. Alessio Porcelli ha publicado un artículo de News &Views sobre la investigación en la misma revista.
Hoy en día, el modelo estándar de la física de partículas es uno de los dos pilares sobre los que descansa la física moderna. Explica con éxito tres de las cuatro fuerzas fundamentales y cómo se comportan las partículas subatómicas.
El principio de exclusión de Pauli y la conservación de la carga son dos de los principios que surgen de las simetrías en el modelo estándar. Han resistido muchos desafíos teóricos y lo han demostrado repetidamente hasta el punto de que se los considera axiomáticos.
Ahora, los investigadores creen que pequeñas violaciones de estos principios podrían conducir a una física más allá del modelo estándar, como formas exóticas de materia.
La Colaboración MAJORANA es uno de esos experimentos. El proyecto tiene como objetivo explorar la desintegración beta doble sin neutrinos, un tipo de desintegración radiactiva, con la esperanza de establecer si los neutrinos son partículas de Majorana.
La investigación es una colaboración internacional de científicos, incluido el Dr. Clint Wiseman de la Universidad de Washington y el Dr. Inwook Kim del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore en California, coautor del estudio Nature. estudio.
En declaraciones a Phys.org, el Dr. Wiseman compartió su motivación detrás de esta búsqueda:"Cuando aprendí mecánica cuántica por primera vez, me enseñaron a cuestionar las cosas presentadas como principios inquebrantables. Los principios de la mecánica cuántica, la base del modelo estándar, son fuertemente arraigados en nosotros porque han demostrado ser ciertos una y otra vez.
"A medida que buscamos áreas de nueva física para explorar en el siglo XXI, puede valer la pena volver a esos principios e intentar superar los límites de su corrección".
La matemática Emmy Noether reveló la profunda conexión entre la simetría y las leyes de conservación. Según el teorema de Noether, cada ley de conservación está profundamente conectada con una simetría subyacente en la naturaleza.
"Nuestra incapacidad para crear o destruir carga sin tener en cuenta otra parte está relacionada con una simetría de este tipo. La incapacidad de más de dos electrones para compartir el mismo estado cuántico representa una antisimetría de la naturaleza igualmente importante que desempeña un papel esencial en el comportamiento a gran escala de la materia atómica", explicó el Dr. Wiseman.
Si se demuestra que estos principios han sido violados, significaría la ruptura de simetrías fundamentales.
"El hecho de que se haya verificado experimentalmente que los fotones no tienen masa a menudo se considera la evidencia de que la conservación de la carga se cumple fundamentalmente. Sin embargo, las extensiones teóricas del modelo estándar, como ciertos modelos de gravedad cuántica, podrían incluir mecanismos que violen la conservación de la carga.
"El principio de exclusión de Pauli se deriva matemáticamente directamente de la propiedad antisimétrica de las funciones de onda fermiónicas. Como en el caso de la conservación de la carga, esto podría violarse en un marco que va más allá del modelo estándar", dijo el Dr. Kim a Phys.org. /P>
¿Cómo se relaciona esto con el trabajo que está realizando el proyecto MAJORANA? La partícula de Majorana, si existiera, sería su propia partícula. Por el momento, esto es pura conjetura, pero el neutrino podría encajar en la descripción.
El neutrino es una partícula muy esquiva, lo que dificulta su detección y estudio de sus propiedades. Una de las cosas que los científicos no han podido establecer es si se trata de su propia antipartícula, es decir, una partícula de Majorana.
El proyecto MAJORANA trabaja para lograr este objetivo mediante la búsqueda de un proceso ultra raro conocido como desintegración doble beta sin neutrinos.
La desintegración beta, como se mencionó anteriormente, es un proceso de desintegración radiactiva. En este proceso, los neutrones se desintegran en protones, positrones (que se conocen como partículas beta y son los antielectrones) y antineutrinos.
El MAJORANA DEMONSTRATOR consta de detectores de germanio (Ge) de alta pureza a gran profundidad para evitar radiaciones, como los rayos cósmicos, que podrían interferir con él. Los detectores de Ge son muy sensibles a las energías liberadas durante estas reacciones de desintegración beta.
En una desintegración beta doble, tenemos dos desintegraciones beta simultáneamente y obtenemos dos antineutrinos junto con los protones y las partículas beta. Sin embargo, en el caso sin neutrinos, no observaríamos neutrinos, como sugiere el nombre.
Esto se debe a que si el neutrino fuera una partícula de Majorana, el neutrino de una desintegración beta anularía las emisiones del antineutrino (de la otra desintegración), lo que daría como resultado que no se emitieran los neutrinos que el demostrador MAJORANA está preparado para detectar.
El conjunto de datos tomado por el conjunto de detectores formó la base para que los investigadores estudiaran los límites de la conservación de la carga y el principio de exclusión de Pauli.
Probando los límites
Los investigadores se centraron en tres escenarios:el primero probó la conservación de la carga y los otros dos probaron el principio de exclusión de Pauli.
Empecemos por la primera prueba:cobrar la no conservación. En este escenario, los investigadores estaban explorando la desintegración de electrones dentro de un átomo de Ge. Si un electrón se desintegrara, dejaría una vacante en el orbital del átomo, que se llena con un electrón de un orbital diferente.
Este proceso da como resultado la emisión de un fotón o rayos X, lo que indica que la carga está equilibrada. Sin embargo, la falta de emisión indicaría una no conservación de carga.
Para el caso del principio de exclusión de Pauli, los investigadores se centraron en las interacciones de tipo I y tipo III de fermiones (en este caso, electrones).
En las interacciones de tipo I, tenemos interacción entre un electrón recién creado y un sistema de fermiones. Este electrón se crea mediante la producción de pares a partir de rayos gamma.
El objetivo ahora era observar si este electrón recién creado ocuparía un orbital atómico completamente completo (como es el caso de los átomos de Ge), violando el principio de exclusión de Pauli sobre los fermiones que ocupan el mismo estado. Si esto sucediera, observarían una emisión de rayos X.
Para el escenario final, interacciones de tipo III, las interacciones son entre fermiones en el mismo sistema, es decir, electrones dentro del átomo de Ge. Si un electrón hiciera una transición inesperada de su orbital a otro orbital lleno, se emitiría un fotón o un rayo X y se violaría el principio de Pauli.
Establecer nuevas restricciones y formar LEYENDA
Los investigadores descubrieron que los tres escenarios se desarrollaron como se suponía, sin violaciones.
"No hemos encontrado evidencia de que se violen los principios, estableciendo límites más estrictos a las nuevas teorías de la física. El límite de conservación de carga es el más estricto de su tipo desde 1999", dijo el Dr. Wiseman.
El límite al que se refiere el Dr. Wiseman aquí es la vida media del electrón que se desintegra en tres neutrinos (o materia oscura), que establecieron como mayor que 2,83 × 10 25 años, lo que indica la alta estabilidad de los electrones.
Además, el Dr. Kim añadió:"Nuestro hallazgo de que no hay firma sugiere que estos dos principios tienen una precisión muy alta, al menos en la medida en que la tecnología de punta actual puede detectarlos. Esto fortalece aún más nuestra confianza en el validez de estos principios."
El conjunto de datos MAJORANA DEMONSTRATOR demostró ser increíblemente versátil. El experimento se está expandiendo mediante la formación de una colaboración más amplia llamada LEGEND al fusionarse con otro detector basado en Ge, Gerda.
"Al operar detectores de germanio de alta resolución en un entorno ultralimpio, LEGEND investigará más a fondo varias firmas inesperadas más allá de la física del modelo estándar", afirmó el Dr. Kim.
El Dr. Wiseman concluyó diciendo:"Los resultados actuales validan la precisión de la mecánica cuántica y proporcionan limitaciones más estrictas a los esfuerzos futuros para construir nuevas teorías de la física. Esto requerirá más imaginación, o como lo expresó Feynman:imaginación en una camisa de fuerza". /P>
Más información: Búsqueda de cargos por no conservación y violación del principio de exclusión de Pauli con el demostrador Majorana, Nature Physics (2024). DOI:10.1038/s41567-024-02437-9
Alessio Porcelli, Búsqueda de electrones que rompen las reglas, Física de la Naturaleza (2024). DOI:10.1038/s41567-024-02448-6
Información de la revista: Física de la Naturaleza , Naturaleza
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