Unul dintre principiile fundamentale pe care se bazează întreaga fizică modernă este principiul excluziunii al 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 cât de absolut este acest principiu? Este el o lege inviolabilă a naturii sau doar o aproximare extrem de precisă?
Un experiment recent, realizat de o colaborare internațională de fizicieni, al cărui rezultat a fost 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 autorii acestui studiu se numără și Cătălina Curceanu, director de cercetare la Institutul Național de Fizică Nucleară (INFN) din Frascati, Italia, și purtător de cuvânt al experimentului VIP-2, autoarea acestui articol.
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, a acestui principiu ar 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 Laboratorul Național subteran de la Gran Sasso, 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 găsit 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 Modelul 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.
