كيف اختبر الفيزيائيون مبدأ باولي على الكربون سريع
في نواة ذرة الكربون، تعيش الجسيمات في "شقق" خاصة بها، تمامًا كسكان لا يمكنهم مشاركة الغرفة نفسها. يطلق الفيزيائيون على هذه القاعدة اسم مبدأ استبعاد باولي: لا يمكن لجسيمين متطابقين داخل النواة أن يتواجدا في الحالة نفسها. ولكن ماذا لو انتهكت القاعدة أحيانًا؟ عندها قد ينتقل أحد "السكان" إلى غرفة مشغولة بالفعل، وتتحرر الطاقة الزائدة على شكل وميض ضوئي أو جسيم منبعث.
كاشف بوريكسينو، المختبئ في أعماق جبال الألب الإيطالية، راقب لمدة أربعة عشر عامًا خزانًا ضخمًا من الوميض السائل (scintillator) — وهي مادة تتوهج عند اصطدام الجسيمات بها. بحث العلماء عن مثل هذه "الانتقالات الخاطئة" في نوى الكربون: انتقالات يشغل فيها الجسيم مكانًا ممتلئًا بالفعل. لكن طوال فترة المراقبة، لم يسجل الكاشف أي حدث من هذا القبيل.
غياب الإشارة هو أيضًا نتيجة. فقد أتاح تحديد أن نواة الكربون تعيش على الأقل 10 مرفوعة إلى 32 سنة قبل أن تخالف مبدأ باولي. هذا الرقم الذي يتبعه 32 صفرًا — أكبر بمليارات المليارات من عمر الكون. بعبارة أخرى، إذا كان مبدأ باولي يُنتهك فعلًا، فإن ذلك نادر جدًا لدرجة أنه عبر تاريخ الكون بأكمله، لم تفعل أي نواة كربون في الكاشف ذلك.
النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات، الذي يتضمن مبدأ باولي، اجتاز اختبارًا آخر. الآن لدينا أقوى دليل على أن هذه القاعدة ليست مجرد اختراع مريح، بل قانون طبيعي صارم.
الملخص الأصلي
كما كتبه المؤلفون، بالإنجليزية arXiv:2604.08950
The Pauli exclusion principle (PEP) was tested for nucleons in $$\rm{^{12}C}$$ nuclei using the Borexino dataset from 2007 to 2021. %the complete Borexino detector data. The approach consists of searching for $$\gamma$$-quanta, neutrons, protons, as well as electrons and positrons emitted in non-Paulian transitions of nucleons from the $$1P_{3/2}$$ shell to the filled $$1S_{1/2}$$ shell. Due to the uniquely low background level, the large mass, and long measurement time of the Borexino detector, the most stringent experimental constraints to date on the lifetime of the $$\rm{^{12}C}$$ nucleus with respect to PEP-forbidden transitions were obtained: $$\tau({^{12}\rm{C}}\rightarrow{^{12}\widetilde{\rm{C}}}+\gamma) \geq {1.1\times10^{32}}$$ y, $$\tau({^{12}\rm{C}}\rightarrow{^{11}\widetilde{\rm{B}}}+ p) \geq {1.0\times10^{31}}$$ y, $$\tau({^{12}\rm{C}}\rightarrow{^{11}\widetilde{\rm{C}}}+ n) \geq 2.0 \times 10^{31}$$ y, $$\tau({^{12}\rm{C}}\rightarrow{^{12}\widetilde{\rm{N}}}+ e^- + \widetilde{ u_e}) \geq 6.4 \times 10^{30}$$ y and $$\tau({^{12}\rm{C}}\rightarrow{^{12}\widetilde{\rm{B}}}+ e^+ + u_e) \geq 6.6 \times 10^{30}$$ y (90\% C.L.). The upper limits on the relative strengths for the non-Paulian electromagnetic, strong, and weak transitions have been obtained: $$\delta^2_{\gamma}\leq 1.0\times 10^{-57}$$, $$\delta^2_{N}\leq 7.0\times 10^{-61}$$ and $$\delta^2_{\beta}\leq 9.6\times 10^{-36}$$, all at 90\% C.L..
صاغ فولفغانغ باولي مبدأه في عام 1925 عندما كان عمره 25 عامًا فقط. وحصل على جائزة نوبل عام 1945 عن هذا الاكتشاف.