Test des Pauli-Ausschließungsprinzips im Untergrundlabor

Das Pauli Ausschließungsprinzip (PEP) gehört zu den Grundfesten der Quantenphysik und daher zur Grundlage der modernen Physik. Es stellt die Basis für unser Verständnis der atomaren Struktur dar und hat grundlegende Konsequenzen für die Welt der Elementar-teilchen bis hin zu Objekten im aber es gibt keine einfache Erklärung für dieses Prinzip. Wir wissen, dass PEP sehr gut erfüllt ist, aber es bleibt die offene Frage nach der Grenze der Gültigkeit. Eine mögliche (winzige) Verletzung von PEP würde auf neue Physik hinweisen, welche möglicherweise im Bereich der Planck Skala auftritt, aber möglicherweise auch bei niedrigeren Energien aufritt. Eine Methode der experimentellen Überprüfung von PEP wurde von Ramberg-Snow (RS) entwickelt. PEP wird für Elektronen überprüft, d.h. Spin Elementarteilchen die vorher keine Wechselwirkung mit dem untersuchten System hatten (neue Elektronen), so dass die Messiah-Greenberg Superauswahlregel keinen Einfluss hat. Diese neuen Elektronen werden durch einen hohen elektrischen Strom geliefert, der durch ein Metall (z.B. Kupfer) geleitet wird. PEP-verbotene Atomübergänge würden eine Energieverschiebung aufweisen, die mittels Röntgen- Spektroskopie aufgelöst werden kann. Somit kann eine Suche nach Pauli-verbotenen Röntgenlinien mit hoher Empfindlichkeit durchgeführt werden, aber dies erfordert eine starke Unterdrückung von Untergrund-Ereignissen. In unserem früheren Experiment VIP im Untergrundlabor LNGS (Gran Sasso) verwendeten wir einen ver-besserten RS-Aufbau mit dem Einsatz von CCDs als Röntgendetektoren. Das Endresultat von VIP ergab einen oberen Grenzwert für die PEP-Verletzung im Bereich von 10-29. Das vorgeschlagene VIP2 Experiment wird ebenfalls im Untergrundlabor LNGS durchgeführt um die hohe Unterdrückung von Untergrund durch kosmische Strahlung auszunützen. Eine stark verbesserte RS-Apparatur mit passiver und aktiver Abschirmung wird verwendet. Silicon- Drift Detektoren (SDDs) werden als Röntgendetektoren eingesetzt, die auch Trigger-Signale liefern, die mit dem Antikoinzidenzsignal von Szintillatoren (Veto-Detektoren) zur aktiven Untergrund-Unterdrückung führen. Mit dem VIP2 Experiment wollen wir nach PEP-Verletzung mit 100-fach höherer Empfindlichkeit suchen. Das Projekt umfasst alle Stufen des Experiments bis hin zur Datenanalyse und Studien der Systematik. Das VIP2 Projekt wurde entsprechend den Empfehlungen des Scientific Committee von LNGS genehmigt.

Wolfgang Pauli entdeckte eine Regel der Natur benannt nach ihm das sogenannte Ausschließungsprinzip, das den Aufbau des Periodensystems erklären konnte. Dafür erhielt er 1940 den Nobelpreis für Physik. Pauli selbst versuchte diese Regel theoretisch zu erklären, aber eine einfache Erklärung konnte nicht gefunden werden. Heute wissen wir, dass das Ausschließungsprinzip eine Konsequenz des Spin-Statistik-Theorems ist. Die Welt ist geteilt in halbzahlige und ganzzahlige Spin-Systeme (Bosonen bzw. Fermionen). Das Ausschließungsprinzip ist nach unseren Erkenntnissen sehr gut erfüllt und ist eine Basis für die Stabilität der Materie bis hin zur Stabilität von Neutronensternen. Dennoch ergibt sich die Frage nach einer möglichen kleinen Verletzung dieser Regel. Das Experiment VIP2 hat den experimentellen Test des Pauli-Ausschließungsprinzips für Elektronen mit höchster Empfindlichkeit zum Ziel. Die grundlegende Methode beruht auf der Suche nach Pauli-verbotenen atomaren Übergängen in Kupferatomen. Die verbotenen Übergänge zum vollständig besetzten Grundzustandsniveau sind energetisch um etwa 300 Elektronvolt verschoben und ermöglichen daher einen direkten Nachweis mit modernen Röntgenstrahlungsdetektoren. Man vergleicht Röntgenstrahlungsspektren im interessanten Energiebereich (etwa 8 keV) mit und ohne Strom im Kupferleiter. Mit dem angelegtem Strom kann getestet werden, ob Elektronen Pauli verbotene Übergänge mit den Atomen im Festkörper machen. Die Leitungselektronen können als quasi Testfermionen betrachtet werden und ermöglichen einen aussagekräftigen Test auf höchstem Empfindlichkeitsniveau (entsprechend einer Wahrscheinlichkeit von kleiner als 10-30 gegenüber erlaubten Übergängen). Diese Tests im Leptonensektor sind sehr wichtig im Hinblick auf Spekulationen zu Spin-Statistik Verletzung bei Neutrinos. Das Experiment findet im Untergrundlabor in Gran Sasso/Italien statt. Die Untergrundunterdrückung in LNGS beträgt etwa 1/1.000.0000 für kosmische Myonen und ist daher ideal. Die Sensitivität des Experiments erfordert hohe Röntgenstrahlungseffizienz und Energieauflösung, die mit den verwendeten Silizium-Driftdetektoren (SDDs) sichergestellt ist. Darüberhinaus ermöglichen SDD eine aktive Abschirmung mit Szintillationsdetektoren. Das Experiment VIP2 erzielte bereits das weltbeste Resultat für die obere Grenze der Gültigkeit des Pauli-Ausschließungsprinzips für Elektronen mit der Methode von neuen Elektronen. Die Resultate von VIP2 wurden in zahlreichen Präsentationen vorgestellt und diskutiert sowie in Publikationen veröffentlicht. Eine Weiterführung von VIP2 mit optimierten Experiment-Aufbau, Detektoren und Abschirmung im Rahmen eines neuen genehmigten FWF Projekts ist vorgesehen.