Физики открыли квантовые частицы, нарушающие правила реальности

Учёные, возможно, обнаружили новый класс настраиваемых квантовых частиц, нарушающих давнее правило разделения на бозоны и фермионы. Источник: AI/ScienceDaily.com

Физики традиционно делят все элементарные частицы в нашем трёхмерном мире на две категории: бозоны и фермионы. Бозоны в основном включают частицы-переносчики взаимодействий, такие как фотоны, а фермионы составляют обычную материю, включая электроны, протоны и нейтроны.

Это простое разделение начинает разрушаться в системах с пониженной размерностью. Начиная с 1970-х годов учёные предсказывали существование третьего типа частиц, известных как анионы, которые находятся где-то между бозонами и фермионами. В 2020 году исследователи экспериментально наблюдали эти необычные частицы на границе переохлаждённых, сильно намагниченных полупроводников толщиной в один атом (то есть двумерных).

Теперь учёные из Университета Окинавы (OIST) и Университета Оклахомы продвинули эту идею дальше. В двух статьях, опубликованных в журнале Physical Review A, команда описала одномерную систему, способную поддерживать анионы, и исследовала теоретическое поведение частиц.

Недавние достижения в контроле над отдельными частицами в сверххолодных атомных системах могут сделать эти идеи проверяемыми в реальных лабораторных экспериментах.

«Каждая частица в нашей вселенной, кажется, строго вписывается в две категории: бозонную или фермионную. Почему нет других? — задаётся вопросом профессор Томас Буш из Отдела квантовых систем OIST. — Этими работами мы открыли дверь к улучшению нашего понимания фундаментальных свойств квантового мира, и очень интересно увидеть, куда нас приведут теоретическая и экспериментальная физика».

Различие между бозонами и фермионами проистекает из того, что происходит, когда две идентичные частицы меняются местами. В трёх измерениях эксперименты показывают только два результата: либо система остаётся неизменной (поведение бозонов), либо меняет знак (поведение фермионов). Других возможностей, по-видимому, не существует.

Это поведение связано с одним из важнейших принципов квантовой физики: неразличимостью. В обычной жизни два одинаковых объекта всё ещё можно отличить друг от друга. Квантовые частицы работают иначе. Две идентичные частицы, такие как электроны, не могут быть индивидуально помечены, если все их квантовые свойства совпадают. Обмен ими порождает состояние, физически неотличимое от исходного.

Рауль Идальго-Сакотто, аспирант OIST, объясняет:

«Поскольку этот обмен эквивалентен бездействию, математическая статистика, управляющая событием, известная как фактор обмена, должна подчиняться простому правилу: квадрат фактора обмена должен быть равен 1. Единственные два числа, удовлетворяющие этому правилу, — это +1 и -1. Вот почему все частицы должны быть, соответственно, бозонами (фактор 1) или фермионами (фактор -1)».

Если природа допускает только два типа частиц в трёх измерениях, почему меньшие размерности могут дать нечто иное? Ответ кроется в том, как частицы движутся друг относительно друга. В системах с пониженной размерностью у частиц меньше возможных траекторий. Когда они меняются местами, их траектории переплетаются в пространстве и времени. В отличие от трёх измерений, эти пути нельзя просто распутать. В результате обменное состояние больше не эквивалентно исходному.

В опубликованных исследованиях учёные продемонстрировали, что разделение на бозоны и фермионы остаётся нарушенным даже в одномерных системах. Они также обнаружили нечто особенно интересное: фактор обмена в 1D-системах можно напрямую настраивать. В одном измерении частицы не могут обойти друг друга, чтобы поменяться местами. Вместо этого они должны проходить прямо сквозь друг друга. Исследования показывают, что фактор обмена в этих системах связан с силой короткодействующих взаимодействий частиц. Это означает, что учёные потенциально могут точно настраивать статистику обмена экспериментально, открывая возможности для изучения широкого спектра новых квантовых явлений.

«Мы не только выявили возможность существования одномерных анионов, но и показали, как можно отобразить их статистику обмена и, что интересно, как наблюдать их природу через распределение импульсов, — резюмирует профессор Буш. — Необходимые экспериментальные установки для этих наблюдений уже существуют. Мы рады увидеть, какие будущие открытия будут сделаны в этой области и что они расскажут нам о фундаментальной физике нашей вселенной».