Test des Pauli-Ausschließungsprinzips mit Elektronen am LNGS

Gemäß unseres derzeiteigen Verständnisses ist die Natur durch die Spin-Statistik Verbindung in Bosonen und Fermionen eingeteilt. Das Pauli-Ausschließungsprinzip (oder auch: Pauli Prinzip PP) ist eine Konsequenz der Spin-Statistik Verbindung und es verhindert dass sich zwei Fermionen, wie zum Beispiel Elektronen, im selben Quantenzustand befinden. Aus diesem Grund sind Qunatenzustände mit zwei Elektronen im selben Zustand verboten. Daraus folgt, dass das PP ein Grundpfeiler unseres Verständnisses der Natur ist. Es hilft außerdem dabei interessante Phänomene, wie zum Beispiel dem Periodensystem der Elemente oder exotische Objekte wie Neutronensternen, zu erklären. Eine intuitive Erklärung für das PP gibt es bis jetzt nicht. In der Literatur gibt es Spekulationen über eine mögliche Verletzung des PP. Deswegen ist es enorm wichtig, seine Gültigkeit experimentell mit hoher Sensitivtät zu überprüfen. Bis jetzt hat kein Experiment eine Verletzung des PP finden können. Aber die Experimente konnten immer strengere obere Grenzen für die Wahrscheinlichkeit seiner Verletzung angeben. Das VIP Experiment konnte die bis dato besten Grenzen bestimmen. Sein Nachfolgeexperiment VIP2 nimmt derzeit Daten im Gran Sasso Untergrundlabor in Italien. Es testet die Verletzung des PP in atomaren Übergängen von Elektronen mit noch viel höherer Sensitivtät als das VIP experiment. Es sucht nach Röntgenstrahlung, welche von atomaren Übergängen kommt, die vom Pauli Prinzip verboten sind. Wir schlagen ein Upgrade des Experiments in diesem Antrag vor. Auf der einen Seite besteht das Upgrade aus neuen Detektoren mit einer größeren Detektorfläche. Das vergößert die Wahrscheinlichkeit, verbotene Röntgenstrahlung von Atomen, die das PP verletzen, zu detektieren. Auf der anderen Seite werden wir eine optimierte Abschirmung gegen Strahlung aus der Umgebung des Experiments installieren. Diese Verbesserungen werden es uns ermöglichen, das Pauli Prinzip mit bis jetzt unerreichter Genauigkeit zu überprüfen.

Das VIP2 Experiment wird im italienischen Untergrund-Labor LNGS (Laboratori Nazionali di Gran Sasso) des INFN (Istituto Nazionali di Fysika Nucleare) ausgeführt. Das Experiment erzielte das bisher genaueste Limit für eine mögliche Verletzung des Pauli Ausschließungsprinzips für Elektronen, indem nach verbotenen atomaren Übergängen im Röntgen-Energiebereich mit Silizium-Drift-Detektoren gesucht wurde. Neuartige Methoden der Datenanalyse mit dem Bayes-Konzept wurden entwickelt und angewandt. Das Experiment konnte eindrucksvoll das Pauli-Ausschließungsprinzip verifizieren. Ein äußerst wichtiges Resultat ist die Überprüfung von theoretischen Modellen der Quanten-Gravitation. Eine Publikation zu dieser Fragestellung wurde 2022 im Journal Physical Review Letters veröffentlicht.