在《自然物理学》上发表的一项新研究中，MAJORANA合作组织的科学家使用地下探测器测试了电荷守恒和泡利排除原理的严格性。AlessioPorcelli在同一期刊上发表了一篇有关该研究的新闻与观点文章。

如今，粒子物理学的标准模型是现代物理学的两大支柱之一。它成功地解释了四种基本力中的三种以及亚原子粒子的行为方式。

泡利不相容原理和电荷守恒定律是由标准模型中的对称性产生的两个原理。它们经受住了许多理论挑战，并被反复证明，达到了被认为是公理的程度。

现在，研究人员认为，对这些原则的轻微违反可能会导致物理学超出标准模型，例如奇异的物质形式。

MAJORANACollaboration就是这样的实验之一。该项目旨在探索无中微子双β衰变(一种放射性衰变)，希望确定中微子是否是马约拉纳粒子。

这项研究是科学家们的国际合作，包括华盛顿大学的克林特·怀斯曼博士和加利福尼亚州劳伦斯·利弗莫尔国家实验室的InwookKim博士，他们是《自然》研究的合著者。

怀斯曼博士在接受Phys.org采访时分享了他这一追求背后的动机，“当我第一次学习量子力学时，我被教导要对不可动摇的原理提出质疑。量子力学的原理(标准模型的基石)对我来说是非常重要的。”这些观念已在我们心中根深蒂固，因为它们已一次又一次被证明是正确的。

“当我们在21世纪寻找新的物理学领域进行探索时，回到这些原则并尝试突破其正确性的极限是值得的。”

对称性、守恒定律和马约拉纳粒子

数学家艾美·诺特揭示了对称性和守恒定律之间的深刻联系。根据诺特定理，每个守恒定律都与自然界中潜在的对称性密切相关。

“我们无法在不考虑其他因素的情况下产生或破坏电荷，这与这种对称性有关。两个以上的电子无法共享相同的量子态代表了同样重要的自然反对称性，它在原子物质的大规模行为，”怀斯曼博士解释说。

如果这些原则被证明被违反，则意味着基本对称性的破坏。

“光子被实验验证为无质量的事实通常被认为是电荷守恒从根本上成立的证据。然而，标准模型的理论扩展，如某些量子引力模型，可能包括违反电荷守恒的机制。

“泡利不相容原理在数学上直接从费米子波函数的反对称性质推导出来。就像电荷守恒的情况一样，这可能会在超出标准的模型框架中被违反，”Kim博士告诉Phys.org。

这与MAJORANA项目正在进行的工作有何关系?马约拉纳粒子，如果存在的话，将是它自己的粒子。目前这纯粹是猜想，但中微子可能符合描述。

中微子是一种非常难以捉摸的粒子，因此很难检测和研究其特性。科学家们一直无法确定的事情之一是它是否是它自己的反粒子，即马约拉纳粒子。

MAJORANA项目正在通过寻找一种称为无中微子双贝塔衰变的极其罕见的过程来实现这一目标。

β衰变和地下探测器

β衰变，如前所述，是一种放射性衰变过程。在此过程中，中子衰变成质子、正电子(称为β粒子，是反电子)和反中微子。

MAJORANADEMONSTRATOR由地下深处的高纯锗(Ge)探测器组成，以避免可能对其产生干扰的辐射，例如宇宙射线。锗探测器对这些β衰变反应期间释放的能量高度敏感。

在双β衰变中，两个β衰变同时发生，我们得到两个反中微子以及质子和β粒子。然而，在无中微子的情况下，顾名思义，我们不会观察到中微子。

这是因为，如果中微子是马约拉纳粒子，一次β衰变产生的中微子将抵消反中微子(来自另一次衰变)的发射，从而导致没有中微子发射，而马约拉纳演示器将检测到中微子发射。

探测器阵列获取的数据集构成了研究人员研究电荷守恒极限和泡利不相容原理的基础。

测试极限

研究人员重点关注三种情况，第一种情况测试电荷守恒，另两种情况测试泡利不相容原理。

让我们从第一个测试开始：电荷非守恒。在这种情况下，研究人员正在探索Ge原子内的电子衰变。如果电子衰变，它会在原子轨道中留下一个空位，该空位由来自不同轨道的电子填充。

该过程会发射光子或X射线，表明电荷已平衡。然而，缺乏发射将表明电荷不守恒。

对于泡利不相容原理，研究人员重点关注费米子(在本例中为电子)的I型和III型相互作用。

在I型相互作用中，新产生的电子和费米子系统之间存在相互作用。该电子是通过伽马射线的电子对产生而产生的。

现在的目的是观察这个新产生的电子是否会占据一个完全完整的原子轨道(就像Ge原子的情况)，违反泡利关于费米子占据相同状态的不相容原理。如果这种情况确实发生，他们将观察到X射线发射。

对于最后一种情况，即III型相互作用，相互作用发生在同一系统中的费米子之间，即Ge原子内的电子之间。如果电子意外地从其轨道跃迁到另一个充满轨道，则会发射光子或X射线，从而违反了泡利原理。

设置新的约束并形成传奇

研究人员发现，所有三种情况都按预期进行，没有违规。

“我们没有发现任何证据表明这些原则被违反，这对新的物理理论设定了更严格的限制。电荷守恒限制是自1999年以来最严格的，”怀斯曼博士说。

怀斯曼博士在这里指的极限是电子衰变为三个中微子(或暗物质)的平均寿命，他们确定该寿命大于2.83×1025年，表明电子的高度稳定性。

此外，金博士补充道：“我们没有发现任何签名，这表明这两个原理具有非常高的精度——至少达到了当前最先进技术可以检测到的程度。这进一步增强了我们对这些原则的有效性。”

事实证明，MAJORANADEMONSTRATOR数据集具有令人难以置信的多功能性。该实验正在扩大，通过与另一个基于锗的探测器Gerda合并，形成一个名为LEGEND的更大合作。

“通过在超净环境中操作高分辨率锗探测器，LEGEND将进一步研究标准模型物理之外的各种意外特征，”Kim博士说。

怀斯曼博士总结道：“目前的结果验证了量子力学的准确性，并为未来构建新物理理论的努力提供了更严格的约束。这将需要更多的想象力，或者正如费曼所说：束缚中的想象力。”