Физици откриха квантови частици, които нарушават законите на реалността

Физиците традиционно разделят всички елементарни частици в нашия триизмерен свят на две категории: бозони и фермиони. Бозоните включват предимно частици-преносители на взаимодействия, като фотоните, а фермионите съставляват обикновената материя, включително електрони, протони и неутрони.

Това просто разделение започва да се разпада в системи с понижена размерност. От 70-те години насам учените предсказваха съществуването на трети тип частици, известни като аниони, които се намират някъде между бозоните и фермионите. През 2020 година изследователи експериментално наблюдаваха тези необичайни частици на границата на преохладени, силно намагнитени полупроводници с дебелина един атом (т.е. двуизмерни).

Сега учени от Университета на Окинава (OIST) и Университета на Оклахома развиха тази идея по-нататък. В две статии, публикувани в списание Physical Review A, екипът описа едноизмерна система, способна да поддържа аниони, и изследва теоретичното поведение на частиците.
Последните постижения в контрола върху отделни частици в свръхстудени атомни системи могат да направят тези идеи проверими в реални лабораторни експерименти.

„Изглежда, че всяка частица в нашата вселена попада строго в една от двете категории: бозонна или фермионна. Защо няма други? С тези работи ние отворихме вратата към по-добро разбиране на фундаменталните свойства на квантовия свят и е много интересно да видим къде ще ни отведат теоретичната и експерименталната физика“.

каза Томас Буш от отдела за квантови системи на OIST

Разликата между бозони и фермиони произтича от това, което се случва, когато две идентични частици разменят местата си. В три измерения експериментите показват само два резултата: или системата остава непроменена (поведение на бозоните), или променя знака си (поведение на фермионите). По всичко личи, че други възможности не съществуват.
Това поведение е свързано с един от най-важните принципи на квантовата физика: неразличимостта. В обикновения живот два еднакви обекта все още могат да се разграничат един от друг. Квантовите частици работят по друг начин. Две идентични частици, като например електрони не могат да бъдат индивидуално маркирани, ако всичките им квантови свойства съвпадат. Размяната им поражда състояние, физически неразличимо от изходното.

„Тъй като този обмен е еквивалентен на бездействие, математическата статистика, която управлява събитието известна като обменен фактор трябва да се подчинява на едно просто правило: квадратът на обменния фактор трябва да е равен на 1. Единствените две числа, които отговарят на това правило, са +1 и -1. Ето защо всички частици трябва да бъдат съответно бозони (фактор 1) или фермиони (фактор -1)“.

обяснява Раул Идалго-Сакото, докторант в OIST

Ако природата допуска само два вида частици в три измерения, защо по-малките измерения могат да доведат до нещо различно?

Отговорът се крие в начина, по който частиците се движат една спрямо друга. В системи с по-ниска размерност частиците имат по-малко възможни траектории. Когато разменят местата си, техните траектории се преплитат в пространството и времето. За разлика от триизмерното пространство, тези пътища не могат просто да бъдат разплетени. В резултат на това обменното състояние вече не е еквивалентно на първоначалното.

В публикувани изследвания учените демонстрираха, че разделението на бозони и фермиони остава нарушено дори в едномерни системи. Те също така откриха нещо особено интересно: факторът на обмен в 1D-системите може да се настройва директно. В едно измерение частиците не могат да заобиколят една друга, за да си разменят местата. Вместо това те трябва да преминават направо през една друга.

Изследванията показват, че факторът на обмен в тези системи е свързан със силата на краткодействащите взаимодействия между частиците. Това означава, че учените потенциално могат да настройват точно статистиката на обмена експериментално, отваряйки възможности за изучаване на широк спектър от нови квантови явления.

„Ние не само разкрихме възможността за съществуване на едномерни аниони, но и показахме как може да се изобрази тяхната статистика на обмена и, което е по-интересно, как да наблюдаваме тяхната природа чрез разпределението на импулсите. Необходимите експериментални апаратури за тези наблюдения вече съществуват. Радваме се да видим какви бъдещи открития ще бъдат направени в тази област и какво ще ни разкрият те за фундаменталната физика на нашата вселена.“

обобщава професор Буш