Comment les physiciens ont testé le principe d'exclusion de Pauli sur le carbone express
Dans le noyau d'un atome de carbone, les particules occupent chacune leur « appartement » — comme des résidents qui ne peuvent pas partager la même chambre. Cette règle, les physiciens l'appellent le principe d'exclusion de Pauli : deux occupants identiques du noyau ne peuvent pas se trouver dans le même état. Mais que se passerait-il si la règle était parfois violée ? Alors un « résident » pourrait emménager dans une pièce déjà occupée, et l'énergie excédentaire serait émise sous forme d'éclair de lumière ou de particule éjectée.
Le détecteur Borexino, caché profondément sous les Alpes italiennes, a surveillé pendant quatorze ans une immense cuve de scintillateur liquide — une substance qui émet un éclair de lumière lorsqu'une particule la traverse. Les scientifiques cherchaient précisément ces « déménagements interdits » dans les noyaux de carbone : des transitions où une particule occupe une place déjà remplie. Mais pendant toute la durée des observations, le détecteur n'a enregistré aucun événement de ce type.
L'absence de signal est aussi un résultat. Elle a permis d'établir que le noyau de carbone vit au moins 10 puissance 32 ans avant de violer le principe de Pauli. Ce nombre, avec trente-deux zéros, est des milliards de milliards de fois plus grand que l'âge de l'Univers. Autrement dit, si le principe de Pauli est violé, c'est si rarement que, dans toute l'histoire du cosmos, aucun noyau de carbone du détecteur ne l'a fait.
Le modèle standard de la physique des particules, qui intègre le principe de Pauli, a passé un nouveau test. Nous avons maintenant la preuve la plus stricte que cette règle n'est pas une simple invention commode, mais une loi de la nature rigoureuse.
Résumé original
tel que rédigé par les auteurs, en anglais 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..
Le principe de Pauli a été formulé par Wolfgang Pauli en 1925, alors qu'il n'avait que 25 ans. Pour cette découverte, il a reçu le prix Nobel en 1945.