La violazione del Principio di Esclusione di Pauli (PEP) è una diretta conseguenza del teorema spin-statistica, un pilastro della fisica moderna, responsabile, ad esempio, della stabilità della materia quantistica e connesso con i principi fondamentali del Modello Standard della fisica delle particelle, come l’invarianza di Lorentz e la simmetria CPT. 

Ad oggi i due principali filoni teorici che prevedono una violazione della spin-statistica sono: 

1) il “Quon” model, che è soggetto alla regola di superselezione di Messiah-Greenberg (MG), che permette la sua verifica sperimentale esclusivamente utilizzando sistemi aperti, immettendo fermioni test in un sistema di fermioni preesistente e testando lo stato di simmetria risultante. 

2) Gravità Quantistica (QG) – Nonostante un secolo di sforzi, la QG rimane una delle sfide più complesse della fisica moderna, aggravata dall’impossibilità di condurre indagini sperimentali dirette vicino alla scala di Planck. PAMQ ha dimostrato che la verifica sperimentale di modelli effettivi di QG (come Non-Commutative QG (NCQG) e modelli Minimal Length), mediante la ricerca di transizioni atomiche PEP-violanti, pone i vincoli più forti in assoluto su varie teorie di QG, con una sensibilità che può raggiungere la scala di Planck. 

Modelli di collasso spontaneo 

Il principio di sovrapposizione consente sovrapposizioni coerenti di configurazioni fisiche distinguibili, una conseguenza diretta della linearità dell’equazione di Schrödinger. Questo principio è stato verificato con notevole precisione a livello microscopico. Tuttavia, non osserviamo sovrapposizioni livello macroscopico, e il meccanismo responsabile della transizione quanto-classica non è codificato nel framework originale della Teoria Quantistica (QT).

PAMQ indaga i modelli di collasso spontaneo (Continuous Spontaneous Localization (CSL) ed i modelli di collasso indotto dalla gravità sviluppati da Diosi e Penrose (DP)) che offrono un approccio fenomenologico rigoroso [Rev. Mod. Phys. 85, 471 (2013)]. Si sta sviluppando un nuovo approccio fenomenologico/sperimentale per testare teorie di campo unificate.

L’attività sperimentale di PAMQ è svolta nel contesto dell’esperimento INFN VIP (di cui il responsabile PAMQ è anche responsabile nazionale INFN) che opera pressi i laboratori LNGS diversi apparati all’avanguardia per raggi X e gamma a bassissimo background.

Oggi, lo studio della violazione di PEP sta ponendo limiti ancora più forti sui modelli di QG.

PAMQ ha analizzato l’intero complesso delle transizioni elettroniche K-shell PEP violanti in un target di Pb Romano ultra-radio-puro, e migliorando la sensibilità di circa due ordini di grandezza rispetto ai dati esistenti. Al CREF è stato anche effettuato il primo studio sperimentale in assoluto del modello QG Triply Special Relativity e delle implicazioni su spin-statistica dei modelli Minimal Length, dimostrando che questo approccio migliora di diversi ordini di grandezza i limiti esistenti. 

Nel contesto del Quon model, l’indagine tramite sistemi aperti può essere effettuata monitorando fermioni che non hanno mai interagito con nessun altro fermione. L’esperimento VIP-sistemi-aperti si basa invece sull’introduzione di elettroni nuovi tramite una corrente continua, in un target di Cu, utilizzando rivelatori Silicon-Drift-Detectors (SDD) di spessore 0.45 mm per misurare i raggi-X emessi in transizioni atomiche. L’esperimento monitora transizioni Kalpha_1,2 che violino PEP, la cui energia caratteristica è inferiore di 300 eV rispetto alle transizioni standard. Con questa strategia PAMQ ha posto il limite più stringente in letteratura.

Attualmente, il nostro gruppo sta effettuando un upgrade dell’esperimento VIP-sistemi-aperti, basato sullo sviluppo di rivelatori SDD innovativi per investigare elementi di numero atomico intermedio.

L’intensa attività sperimentale dedicata ai modelli di collasso spontaneo si basa su una pletora di metodologie ( cold atoms, setup optomeccanici, phonon excitations in cristalli, rivelatori di onde gravitazionali oppure misure di “radiazione spontanea” X o gamma). PAMQ studia principalmente la radiazione spontanea emessa nel range (1-15) keV (un effetto intrinseco della dinamica del collasso spontaneo che impone alle particelle un moto diffusivo) stabilendo i limiti più forti in letteratura.

Lo scopo di PAMQ è investigare problemi ancora aperti in meccanica quantistica, ed in particolare la relazione tra il mondo quantistico e la gravità, spingendo la sensibilità sperimentale alla soglia della scala di Planck dove potrebbero emergere proprietà quantistiche del campo gravitazionale. Le ripercussioni sono enormi, sulla comprensione dei fondamenti del Modello Standard, e delle teorie che cercano di spiegare il collasso della funzione d’onda.

PAMQ intende discriminare fra le varie proposte di QG, fornendo una guida sperimentale nello sviluppo dei modelli, con la potenzialità di misurare, per la prima volta, un segnale di QG.

L’esperimento VIP-sistemi-aperti, con l’apparato migliorato sta producendo valori limiti per la violazione PEP di ordini di grandezza superiori rispetto a quanto è noto.

Per quanto riguarda i modelli di collasso spontaneo, PAMQ incrementerà la sensibilità delle misure di radiazione spontanea, sia dal punto di vista teorico, applicando la nuova teoria a modelli di collasso generalizzati (non-Markoviani), sia dal punto di vista sperimentale con nuovo rivelatore al germanio, che permetterà di esplorare recenti modelli unificati di gravità e quantistica.     

Kristian Piscicchia, Responsabile

Diana Laura Sirghi, Phd

Nicola Bortolotti

• SMI (AT) 
• King’s College London (GB) 
• LNF (INFN) (IT) 
• IAS Princeton (US) 
• Oxford University (GB) 
• Fudan University (CN) 
• Sichuan University (CN) 
• Univ. Trieste (IT) 
• Univ. Vienna (AT) 
• Politecnico di Milano (IT) 
• Fondazione Bruno Kessler (IT) 
• Eotvos University (HU)
• IFIN-HH (RO)