Il Principio di Esclusione di Pauli (PEP) è uno dei pilastri della fisica quantistica, eppure è uno dei meno compresi. In questo posto cercherò di spiegarlo in modo semplice e chiaro, e di introdurre il concetto di violazione del PEP e di cosa faciamo con l’esperimento VIP-2 ai Laboratori Nazionali dell’INFN.

Il PEP è una regola, formulata da Wolfgang Pauli nel 1925, che dice che due fermioni identici non possono occupare lo stesso stato quantico. Questo significa che due elettroni, per esempio, non possono avere gli stessi numeri quantici. Questo principio è alla base della struttura degli atomi e delle molecole, e spiega perché la materia è stabile e non collassa.

Nelle nane bianche, ad esempio, il PEP è responsabile della pressione di degenerazione e impedisce il collasso gravitazionale.

La nostra comprensione di questo fenomeno è stata poi collegata alle simmetrie fondamentali: in fisica ci piace cercare simmetrie, perché ci dicono qualcosa di profondo sulla natura della realtà. Più sono fondamentali (ad esempio la simmetria di Lorentz), più sono importanti, e il PEP si poggia su quelle più fondamentali di tutte: località, unitarietà e causalità tramite il teorema di Spin-Statistica.

Nello stato attuale della fisica, il nostro Modello Standard raccoglie tutta la conoscenza che abbiamo sulla fisica delle particelle. Ci sono però delle domande che il Modello Standard non riesce a rispondere, come la natura della materia oscura, l’energia oscura e molte altre. Le soluzioni che vengono date a queste domande spesso richiedone che le simmetrie fondamentali non siano sempre rispettate. Se veramente nella Nuova Fisica le simmetrie fondamentali non sono rispettate, allora il PEP potrebbe essere violato, e noi cerchiamo di misurare questa violazione con l’esperimento VIP-2.

Il nostro esperimento è basato su un concetto molto semplice: se il PEP è violato, allora un elettrone può occupare lo stesso stato quantico di un altro elettrone. Questo significa che la probabilità di avere tre elettroni allo stato fondamentale (di solito due) non è più zero, e noi possiamo cercare questi “atomi impossibili”.

Vista dei Laboratori Nazionali del Gran Sasso, sito esterno. Il nostro esperimento VIP-2 è situato all'interno della montagna. Di TQB1 - Photographed by TQB1, white balanced, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=64228721

I Laboratori Nazionali del Gran Sasso sono il luogo ideale per fare questo tipo di esperimenti, perché sono situati sotto 1400 metri di roccia, che proteggono il nostro esperimento dai raggi cosmici e da altre interferenze: cercando fenomeni raririssimi come la violazione del PEP, dobbiamo stare attenti a non essere disturbati da altre sorgenti di rumore.

L’esperimento segue questo principio: se un elettrone va ad occupare lo stesso stato quantico di un altro elettrone allo stato fondamentale, allora emetterà della radiazione X diversa da quella che aspetteremmo da un atomo normale. Questa radiazione X è il nostro segnale, e noi cerchiamo di misurarla con la massima precisione possibile. Per fare questo usiamo un rivelatore di radiazione X molto sensibile e precisio, che si chiama Silicon Drift Detector.

Uno schema rappresentativo della logica dell'esperimento VIP-2. A sinistra, una transizione in un atomo normale, dove l'elettrone va ad occupare lo stato più basso che è libero (il numero masso di elettroni nello stato fondamentale è due). A destra, una transizione in un atomo con violazione del PEP, dove l'elettrone va ad occupare lo stato fondamentale, che è già occupato da due elettroni. Questo comporta una transizione diversa, che noi cerchiamo di misurare. CC BY 4.0

Finora non abbiamo trovato nessuna violazione del PEP, ma la nostra sensibilità è in continuo aumento rispetto agli esperimenti precedenti, e continuiamo a cercare! Nella ricerca infatti, spesso è più importante il viaggio che la meta, e noi siamo pronti a continuare a esplorare i confini della fisica per capire meglio la natura della realtà.

Se volete saperne di più, non esitate a contattarmi! Un riferimento interessante per approfondire è uno degli ultimi articolo che abbiamo pubblicato su Symmetry.