Imagine: Dr. Alessio Porcelli, dr. Catalina Oana Curceanu și dr. Alberto Clozza, în fața instalației experimentale VIP-2 din laboratorul subteran Gran Sasso LNGS.
Unul dintre principiile fundamentale pe care se bazează întreaga fizică modernă este principiul excluziunii a lui Pauli. Acest principiu stă la baza structurii atomilor, a stabilității materiei și chiar a existenței stelelor compacte, precum piticele albe sau stelele de neutroni. Dar este acest principiu absolut? Este el o lege inviolabilă a naturii sau doar o aproximare, dar cu un grad de precizie ridicat?
Un experiment recent, efectuat de o colaborare internațională de fizicieni cu rezultatul publicat în Scientific Reports în 2025, aduce cel mai riguros răspuns de până acum: dacă principiul excluziunii a lui Pauli este încălcat, atunci acest lucru se întâmplă la un nivel atât de mic, încât depășește orice sensibilitate experimentală atinsă până în prezent.
Printre autoarele acestui studiu se numără și autoarea articolului de față, Catalina Curceanu, director de cercetare la Institutul Național de Fizică Nucleară (INFN) din Frascati, Italia și purtător de cuvânt al experimentului VIP-2.
De ce este atât de important principiul lui Pauli
Formulat în 1925 de fizicianul austriac Wolfgang Pauli, principiul afirmă că două particule identice de tip fermionic (cum sunt electronii) nu pot ocupa simultan aceeași stare cuantică. Această regulă explică de ce electronii se aranjează pe straturi în atomi, de ce materia este rigidă și de ce stelele dense nu colapsează sub propria gravitație.
Fără acest principiu, lumea așa cum o cunoaștem nu ar putea exista. Tocmai de aceea, orice indiciu al unei încălcări, chiar extrem de mici, ale acestui principiuar avea consecințe profunde, de la fizica atomică până la astrofizică și cosmologie.
Cum se poate testa o lege atât de fundamentală
Experimentul VIP-2 (Violation of the Pauli Exclusion Principle) a fost conceput tocmai pentru a împinge acest principiu la limitele sale. El se desfășoară la Laboratorului Național subteran de la Gran Sasso din Italia, unde detectorii sunt protejați de radiația cosmică ce ar putea masca semnalele extrem de slabe căutate.
Ideea este simplă: dacă principiul lui Pauli ar fi încălcat, electronii dintr-un atom ar putea efectua tranziții atomice interzise (tocmai de principiu), emițând raze X cu energii foarte precise, diferite de cele standard. Detectarea unor astfel de raze X ar fi un semnal clar a unei noi fizici.
Pentru a face testul cât mai sensibil posibil, am introdus un număr mare de „electroni noi” într-o țintă de cupru. Acest lucru creează un sistem deschis, esențial pentru a evita restricțiile impuse de mecanica cuantică asupra sistemelor închise.
Ce a descoperit VIP-2
După ani de măsurători cu detectoare de raze X extrem de sensibile, rezultatul este clar: nu a fost observat niciun semnal care să indice tranziții interzise. Aceasta permite stabilirea celei mai stricte limite experimentale de până acum pentru o eventuală încălcare a principiului excluziunii a lui Pauli, cu o probabilitate mai mică de două părți din 10⁴³.
Dacă principiul lui Pauli ar fi încălcat chiar și la un nivel infim, efectele s-ar propaga de la fizica atomică până la structura stelelor. Rezultatul nostru arată că natura respectă acest principiu cu o precizie extraordinară.
Ce înseamnă acest rezultat pentru fizica dincolo de teoria modelului standard
Deși modelul standard presupune că principiul excluziunii a lui Pauli este exact, multe teorii care încearcă să-l extindă sau să-l înlocuiască prezic mici deviații. Printre acestea se numără așa-numitele modele Quon, care permit un comportament intermediar între fermioni și bosoni.
Rezultatele VIP-2 restrâng drastic aceste posibilități. Modelele Quon sunt constrânse cu acest rezultat foarte puternic, iar ideile care sugerează o structură internă ascunsă a electronului devin tot mai greu de susținut. Chiar și unele teorii de gravitație cuantică sunt afectate, deoarece prezic încălcări ale principiului lui Pauli la niveluri acum excluse experimental.
Ce urmează
Departe de a închide subiectul, VIP-2 deschide drumul către teste și mai sensibile. Viitorul experiment VIP-3 va împinge aceste limite și mai departe, continuând explorarea uneia dintre cele mai profunde reguli ale naturii.
Dacă există legi mai profunde care stau la baza fizicii, ele trebuie să reproducă principiul lui Pauli cu o precizie extrem de mare. VIP-2 arată că, cel puțin până acum, natura respectă această regulă cu o fidelitate aproape absolută, iar orice fizică nouă va trebui să țină cont de acest fapt.
Detalii: Nature
