Cómo los físicos pusieron a prueba el principio de exclusión de Pauli con carbono exprés
En el núcleo de un átomo de carbono, las partículas ocupan sus "apartamentos" — como inquilinos que no pueden compartir la misma habitación. Esta regla de la física se llama principio de exclusión de Pauli: dos habitantes idénticos del núcleo no pueden encontrarse en el mismo estado. Pero, ¿y si la regla a veces se viola? Entonces un "inquilino" podría mudarse a una habitación ya ocupada, y el exceso de energía se liberaría en forma de destello de luz o de una partícula expulsada.
El detector Borexino, escondido en lo profundo de los Alpes italianos, vigiló durante catorce años un enorme tanque de centelleador líquido — una sustancia que emite luz cuando la atraviesan partículas. Los científicos buscaban precisamente esos "mudanzas incorrectas" en núcleos de carbono: transiciones en las que una partícula ocupa un lugar ya lleno. Pero durante todo el tiempo de observación, el detector no registró ni un solo evento de este tipo.
La ausencia de señal también es un resultado. Permitió establecer que el núcleo de carbono vive al menos 10 elevado a la 32ª potencia años antes de violar el principio de Pauli. Es un número con treinta y dos ceros — miles de millones de veces mayor que la edad del universo. En otras palabras, si el principio de Pauli se viola, es tan raro que en toda la historia del cosmos ningún núcleo de carbono en el detector lo ha hecho.
El modelo estándar de la física de partículas, que incorpora el principio de Pauli, ha pasado otra prueba. Ahora tenemos la evidencia más estricta de que esta regla no es solo un invento conveniente, sino una ley rígida de la naturaleza.
Resumen original
tal como lo escribieron los autores, en inglés 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..
El principio de exclusión de Pauli fue formulado por Wolfgang Pauli en 1925, cuando solo tenía 25 años. Por este descubrimiento recibió el Premio Nobel en 1945.