Може да съществува "невъзможен" трети вид частица, показват нови математически изчисления

Ваня Милева Последна промяна на 13 януари 2025 в 00:00 5322 0

абстракция на графен

Кредит Flickr CC BY 2.0

Наричани ениони, тези технически вратички не могат да се разпространят в триизмерното пространство на нашата Вселена и следователно е малко вероятно да бъдат представени от някоя истинска фундаментална частица, която тепърва ще откриваме.

Квантовата механика отдавна разделя частиците само на два различни типа: фермиони и бозони.

Сега физици от Университета Райс в САЩ установяват, че все пак е възможно да съществува трети тип, поне от математическа гледна точка. 

Кадън Хазард (Kaden Hazzard), заедно със съавтора си Джъюен Уан (Zhiyuan Wang) формулират теория, за да покажат, че обекти, които не са нито фермиони, нито бозони, могат да съществуват във физическата реалност, без да нарушават никакви известни закони.

Фермиони и бозони

Фермиони:

  • Кварки - горен кварк, долен кварк, чаровен кварк, странен кварк, върховен кварк, дънен кварк
  • Лептони - електронно неутрино, електрон, мюонно неутрино, мюон, тау-неутрино, тау-лептон

Бозони:

  • Калибровъчни бозони - глуон, W и Z бозони, фотон
  • Други бозони - бозон на Хигс, гравитон (извън Стандартния модел)

Частиците с полуцял спин са фермиони, а частиците с цял спин – бозони.

атоми ядра електрони кваркиИлюстрация:wikipedia

Стандартният модел категоризира фундаменталните частици.

Фермионите са фундаментални частици, които изграждат атомите, като електроните и кварките. По-точно казано, те притежават свойство, което им пречи да заемат идентични квантови състояния, което на практика гарантира, че два еднакви фермиона не могат да запълнят едно и също пространство.

"Това поведение е причина за цялата структура на периодичната таблица", обяснява Хазард. "То е и причината, поради която не преминаваме през стола, когато сядаме на него."

Бозоните се държат по точно обратния начин и могат да преминават един през друг като призраци в коридор.

Обикновено действащи като носители на сила като фотоните и глуоните, бозоните посредничат при взаимодействията по начини, които изтласкват и придърпват фермионите във всичко - от протони до картофи и планети.

Физиците казват, че в триизмерното (и повече) пространство частиците са строго разделени на фермиони и бозони, според това на каква статистика се подчиняват: фермионите - на статистиката на Ферми-Дирак, а бозоните -  на статистиката на Бозе-Айнщайн.

Но в двумерни системи могат да се наблюдават квазичастици, които се подчиняват на това строго разделяне на квантовите състояния, а варират непрекъснато между статистиките на Ферми-Дирак и Бозе-Айнщайн.

Наричани ениони, тези технически вратички не могат да се разпространят в триизмерното пространство на нашата Вселена и следователно е малко вероятно да бъдат представени от някоя истинска фундаментална частица, която тепърва ще откриваме. 

Все пак това никога не е спирало физиците теоретици да се занимават с квантовите описания на хипотетични частици, за да видят какво ще оцелее, оперирайки в област, наречена парастатистика. Въпреки че това е чисто математически подход, той може да разкрие по-дълбоки истини за това дали фермионите и бозоните наистина са всичко, което съществува, и ако е така, защо е така.

От самото си създаване в началото и средата на XX век парастатистиката не е успяла да открие нищо, което да не може да попадне в кутийките за фермиони или бозони. Всъщност с развитието на квантовите теории с течение на времето става все по-ясно, че всяка теория, разработена чрез парастатистика, би била неразличима от вселена само с фермиони и бозони.

Уан и Хазард смятат, че са открили повод да докажат възможността за съществуване на нещо различно. Чрез въвеждане на втора стъпка на квантуване, различна от предишните методи, те са показали, че колективното поведение в материалите може да доведе до появата на частици, които действат донякъде като ениони, дори когато се въртят по ъглите в триизмерна вселена, повече или по-малко идентична с нашата.

Концепцията не е в състояние да очертае пътя към цял нов клас частици, а само показва, че може би все още не искаме да затваряме страницата на тази възможност.

Какво е енион?

За да разберете квантовите царства, представете си чертеж на цикли. Представете си две неразличими частици, например електрони. Вземете едната, след това я завъртете около другата, така че тя да се окаже там, откъдето е тръгнала. Изглежда, че нищо не се е променило. И наистина, на математическия език на квантовата механика двете вълнови функции, описващи началното и крайното състояние, трябва да са или равни, или да се разминават с коефициент -1. (В квантовата механика вероятността на наблюдаваното се изчислява чрез квадрат на тази вълнова функция, така че този коефициент -1 се изтрива.)

Ако вълновите функции са идентични, значи квантовите частици са бозони. Ако те се разминават с коефициент -1, имаме фермиони. И въпреки че изводът може да изглежда като чисто математическо упражнение, той има дълбоки физически последствия.

Фермионите са антисоциалните членове на света на частиците. Те никога не заемат едно и също квантово състояние. Поради тази причина електроните, които са фермиони, са принудени да влизат в различни атомни обвивки около атома. От това просто явление се поражда по-голямата част от пространството в атома, изумителното разнообразие на периодичната таблица и цялата химия.

Бозоните, от друга страна, са общителни частици, които с удоволствие се събират заедно и споделят едно и също квантово състояние. Така фотоните, които са бозони, могат да преминават един през друг, което позволява на светлинните лъчи да се движат безпрепятствено, вместо да се разпръскват.

Но какво се случва, ако при зацикляне на една квантова частица около друга не се стигне отново до същото квантово състояние? За да разберем тази възможност, трябва да направим кратко отклонение към топологията - математическото изследване на формите. Две фигури са топологично еквивалентни, ако едната може да се трансформира в другата без никакво рязане или лепене. Старата поговорка гласи, че поничка и чаша за кафе са топологично еквивалентни, защото едната може да бъде леко и непрекъснато оформена в другата.

Да разгледаме цикъла, който направихме, когато завъртяхме едната частица около другата. В три измерения тази примка може да се свие до точка. От топологична гледна точка това е все едно, че частицата изобщо не се е движила.

Инфографика на Quanta magazine

В две измерения обаче цикълът не може да се свие. Въртящата се частица се залепва за другата частица. Не може да смалите примката, без да я прекъснете в процеса. Поради това ограничение, което се среща само в две измерения, зациклянето на една частица около друга не е равносилно на оставянето на частицата на същото място.

Нуждаем се от трета възможност за частици: ениони. Тъй като техните вълнови функции не са ограничени до двете решения, които определят фермионите и бозоните, тези частици са свободни да не бъдат нито едно от двете, а всичко между тях. Когато Вилчек за първи път използва термина енион, това е езиково предложение, че всичко е позволено.

"За да реализираме парачастици в експерименти, се нуждаем от по-реалистични теоретични предложения", казва Уан.

И все пак, знаейки, че Стандартният модел на квантовата физика все още не се е прегърнал с Общата теория на относителността и няма място за тухличките на тъмната материя или също така тайнствените извори на тъмната енергия, си струва да имаме планове за разширяване. А развитието на полупроводниковата технология, а именно отлагането на тънки двуизмерни слоеве, например графенови листове, създава потенциал за използване на свойствата на енионите в електрониката.

2D точно разрешим спинов модел върху решетка 7 × 7 с отворени гранични условия. Кредит: Nature (2025). DOI: 10.1038/s41586-024-08262-7

Microsoft инвестира в изследвания относно ениони като потенциална основа за топологично квантово изчисление. Те могат да бъдат полезни в квантовите изчисления като форма на памет. Ениони, които се въртят един около друг ("сплитане") биха кодирали информация по по-стабилен начин от други потенциални квантови изчислителни технологии. Повечето инвестиции в квантовите изчисления обаче се основават на методи, които не използват ениони.

Справка: Wang, Z., Hazzard, K.R.A. Particle exchange statistics beyond fermions and bosons. Nature 637, 314–318 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-024-08262-7

Източници:

New Math Suggests 'Impossible' Third Type of Particle Could Exist, Science Aalert

‘Milestone’ Evidence for Anyons, a Third Kingdom of Particles, Quanta magazine

Най-важното
Всички новини
За писането на коментар е необходима регистрация.
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!

Няма коментари към тази новина !