Wissenschaftler der MAJORANA Collaboration suchen nach regelverletzenden Elektronen

In einer neuen Studie veröffentlicht InNaturphysikWissenschaftler der MAJORANA-Kollaboration haben die Stringenz der Ladungserhaltung und Paulis Ausschlussprinzipien mithilfe unterirdischer Detektoren getestet. Alessio Porcelli hat eine veröffentlicht News & Views-Artikel über die Forschung in derselben Zeitschrift.

Heute ist das Standardmodell der Teilchenphysik eine von zwei Säulen, auf denen die moderne Physik ruht. Es erklärt erfolgreich drei der vier Grundkräfte und wie sich subatomare Teilchen verhalten.

Paulis Ausschlussprinzip und die Ladungserhaltung sind zwei der Prinzipien, die sich aus den Symmetrien im Standardmodell ergeben. Sie haben vielen theoretischen Herausforderungen standgehalten und sich wiederholt so weit bewährt, dass sie als axiomatisch gelten.

Nun glauben Forscher, dass kleine Verstöße gegen diese Prinzipien zu einer Physik jenseits des Standardmodells führen könnten, beispielsweise zu exotischen Formen der Materie.

Die MAJORANA Collaboration ist ein solches Experiment. Das Projekt zielt darauf ab, den neutrinolosen doppelten Betazerfall, eine Art radioaktiven Zerfalls, zu erforschen, um herauszufinden, ob es sich bei Neutrinos um Majorana-Teilchen handelt.

Die Forschung ist eine internationale Zusammenarbeit von Wissenschaftlern, darunter Dr. Clint Wiseman von der University of Washington und Dr. Inwook Kim vom Lawrence Livermore National Laboratory in Kalifornien, der Mitautor der Studie ist Natur Studie.

Im Gespräch mit Phys.org teilte Dr. Wiseman seine Motivation hinter diesem Streben mit: „Als ich zum ersten Mal die Quantenmechanik lernte, wurde mir beigebracht, Dinge zu hinterfragen, die als unerschütterliche Prinzipien dargestellt wurden. Die Prinzipien der Quantenmechanik – das Fundament des Standardmodells – sind schwer.“ Sie sind tief in uns verwurzelt, weil sie sich immer wieder als wahr erwiesen haben.

„Wenn wir nach Bereichen der neuen Physik suchen, die wir im 21. Jahrhundert erforschen können, kann es sich lohnen, auf diese Prinzipien zurückzukommen und zu versuchen, die Grenzen ihrer Korrektheit zu erweitern.“

Symmetrien, Erhaltungen und Majorana-Partikel

Der tiefe Zusammenhang zwischen Symmetrie und Erhaltungsgesetzen wurde von der Mathematikerin Emmy Noether aufgedeckt. Nach dem Noether-Theorem ist jedes Erhaltungsgesetz eng mit einer zugrunde liegenden Symmetrie in der Natur verbunden.

„Unsere Unfähigkeit, Ladung zu erzeugen oder zu zerstören, ohne dies an anderer Stelle zu erklären, hängt mit einer Symmetrie dieser Art zusammen. Die Unfähigkeit von mehr als zwei Elektronen, denselben Quantenzustand zu teilen, stellt eine ebenso wichtige Antisymmetrie der Natur dar, die eine wesentliche Rolle dabei spielt.“ das großräumige Verhalten atomarer Materie“, erklärte Dr. Wiseman.

Würde sich herausstellen, dass diese Prinzipien verletzt würden, würde dies den Bruch grundlegender Symmetrien bedeuten.

„Die Tatsache, dass die Photonen experimentell als masselos nachgewiesen wurden, wird oft als Beweis dafür angesehen, dass die Ladungserhaltung grundsätzlich gilt. Allerdings könnten theoretische Erweiterungen des Standardmodells, wie bestimmte Quantengravitationsmodelle, möglicherweise Mechanismen beinhalten, die die Ladungserhaltung verletzen.“

„Das Pauli-Ausschlussprinzip wird mathematisch direkt aus der antisymmetrischen Eigenschaft fermionischer Wellenfunktionen abgeleitet. Wie im Fall der Ladungserhaltung könnte dies in einem über das Standardmodell hinausgehenden Rahmen verletzt werden“, sagte Dr. Kim gegenüber Phys.org.

In welcher Beziehung steht dies zur Arbeit des MAJORANA-Projekts? Das Majorana-Teilchen wäre, wenn es existiert, ein eigenes Teilchen. Dies ist im Moment eine reine Vermutung, aber das Neutrino könnte auf die Beschreibung passen.

Das Neutrino ist ein sehr schwer fassbares Teilchen, was es schwierig macht, seine Eigenschaften zu entdecken und zu untersuchen. Wissenschaftler konnten unter anderem nicht feststellen, ob es sich um ein eigenes Antiteilchen, also ein Majorana-Teilchen, handelt.

Das MAJORANA-Projekt arbeitet auf dieses Ziel hin, indem es nach einem äußerst seltenen Prozess sucht, der als neutrinoloser doppelter Betazerfall bekannt ist.

Beta-Zerfall und unterirdische Detektoren

Der Betazerfall ist, wie bereits erwähnt, ein radioaktiver Zerfallsprozess. Bei diesem Prozess zerfallen Neutronen in Protonen, Positronen (bekannt als Betateilchen und Antielektronen) und Antineutrinos.

Der MAJORANA DEMONSTRATOR besteht aus Detektoren aus hochreinem Germanium (Ge) tief unter der Erde, um Strahlungen wie kosmische Strahlung zu vermeiden, die ihn stören könnten. Die Ge-Detektoren reagieren äußerst empfindlich auf Energien, die bei diesen Beta-Zerfallsreaktionen freigesetzt werden.

Bei einem doppelten Betazerfall finden zwei Betazerfälle gleichzeitig statt, und wir erhalten zusammen mit den Protonen und Betateilchen zwei Antineutrinos. Im neutrinolosen Fall würden wir jedoch, wie der Name schon sagt, keine Neutrinos beobachten.

Dies liegt daran, dass, wenn das Neutrino ein Majorana-Teilchen wäre, das Neutrino aus einem Beta-Zerfall die Emissionen des Antineutrinos (aus dem anderen Zerfall) aufheben würde, was zu keinen Neutrino-Emissionen führen würde, die der MAJORANA-Demonstrator nachweisen soll.

Der vom Detektorarray erfasste Datensatz bildete die Grundlage für die Forscher, um die Grenzen der Ladungserhaltung und des Pauli-Ausschlussprinzips zu untersuchen.

Grenzen austesten

Die Forscher konzentrierten sich auf drei Szenarien, wobei das erste die Ladungserhaltung testete und die anderen beiden das Pauli-Ausschlussprinzip testeten.

Beginnen wir mit dem ersten Test: Ladung ohne Erhaltung. In diesem Szenario untersuchten die Forscher den Elektronenzerfall innerhalb eines Ge-Atoms. Würde ein Elektron zerfallen, würde es eine Lücke im Orbital des Atoms hinterlassen, die durch ein Elektron aus einem anderen Orbital gefüllt wird.

Dieser Prozess führt zur Emission eines Photons oder Röntgenstrahls, was anzeigt, dass die Ladung ausgeglichen ist. Das Fehlen einer Emission würde jedoch auf eine fehlende Ladungserhaltung hinweisen.

Im Fall des Pauli-Ausschlussprinzips konzentrierten sich die Forscher auf Wechselwirkungen vom Typ I und Typ III von Fermionen (in diesem Fall Elektronen).

Bei Typ-I-Wechselwirkungen kommt es zu einer Wechselwirkung zwischen einem neu erzeugten Elektron und einem System von Fermionen. Dieses Elektron entsteht durch Paarbildung aus Gammastrahlen.

Das Ziel bestand nun darin, zu beobachten, ob dieses neu erzeugte Elektron ein vollständig abgeschlossenes Atomorbital besetzen würde (wie es bei Ge-Atomen der Fall ist), was gegen Paulis Ausschlussprinzip bezüglich Fermionen, die denselben Zustand besetzen, verstoßen würde. Sollte dies tatsächlich geschehen, würden sie eine Röntgenemission beobachten.

Für das letzte Szenario, Typ-III-Wechselwirkungen, finden die Wechselwirkungen zwischen Fermionen im selben System statt, dh zwischen Elektronen innerhalb des Ge-Atoms. Wenn ein Elektron unerwartet von seinem Orbital in ein anderes gefülltes Orbital übergehen würde, würde ein Photon oder Röntgenstrahl emittiert werden, und das Pauli-Prinzip würde verletzt.

Neue Grenzen setzen und LEGENDE bilden

Die Forscher stellten fest, dass alle drei Szenarien wie erwartet verliefen und es zu keinen Verstößen kam.

„Wir haben keine Beweise dafür gefunden, dass die Prinzipien verletzt werden und neue physikalische Theorien strengere Grenzen setzen. Die Ladungserhaltungsgrenze ist die strengste ihrer Art seit 1999“, sagte Dr. Wiseman.

Die Grenze, auf die sich Dr. Wiseman hier bezieht, liegt in der mittleren Lebensdauer des Elektrons, das in drei Neutrinos (oder dunkle Materie) zerfällt. Sie ermittelten einen Wert von mehr als 2,83 × 1025 Jahren, was auf die hohe Stabilität der Elektronen hinweist.

Darüber hinaus fügte Dr. Kim hinzu: „Unsere Feststellung, dass es keine Signatur gibt, deutet darauf hin, dass diese beiden Prinzipien eine sehr hohe Präzision haben – zumindest in dem Maße, wie die aktuelle Technologie sie erkennen kann. Dies stärkt unser Vertrauen in die.“ Gültigkeit dieser Grundsätze.“

Der MAJORANA DEMONSTRATOR-Datensatz erwies sich als unglaublich vielseitig. Das Experiment wird durch die Bildung einer größeren Zusammenarbeit namens „ LEGENDE durch Fusion mit einem anderen Ge-basierten Detektor, Gerda.

„Durch den Betrieb hochauflösender Germaniumdetektoren in einer ultrareinen Umgebung wird LEGEND verschiedene unerwartete Signaturen außerhalb der Standardmodellphysik weiter untersuchen“, sagte Dr. Kim.

Dr. Wiseman schloss mit den Worten: „Die aktuellen Ergebnisse bestätigen die Genauigkeit der Quantenmechanik und stellen strengere Einschränkungen für zukünftige Bemühungen zur Entwicklung neuer Theorien der Physik dar. Dies erfordert mehr Vorstellungskraft, oder wie Feynman es ausdrückte: Vorstellungskraft in einer Zwangsjacke.“

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