Новая математика предполагает, что может существовать «невозможный» третий тип частиц
Квантовая механика уже давно делит частицы всего на два различных типа: фермионы и бозоны.
Теперь физики из Университета Райса в США обнаружили, что третий тип все-таки возможен, по крайней мере, с математической точки зрения. Их поведение, известное как парачастицы, может указывать на существование элементарных частиц, о которых никто никогда не думал.
«Мы определил, что возможны новые типы частиц, о которых мы никогда раньше не знали», — говорит Каден Хаззард, который вместе с соавтором Чжиюань Ван сформулировал теорию, демонстрирующую, как объекты, которые не были фермионами или бозонами, могли существовать в физической реальности, не нарушая при этом никаких известных законы.
Фермионы охватывают фундаментальные частицы, которые «строят» атомы, такие как электроны и кварки. Точнее говоря, у них есть свойство, которое не позволяет им занимать идентичные квантовые состояния, эффективно гарантируя, что никакие два совпадающих фермиона не смогут заполнить одно и то же пространство.
«Такое поведение отвечает за всю структуру периодической таблицы», — говорит Хаззард. «Именно поэтому вы не просто проходите через стул, когда садитесь».
Бозоны определяются другой мерой, отличной от этого свойства, которая позволяет им проходить сквозь друг друга, как призраки в коридоре.
Обычно действуют как носители силы подобно фотонам и глюонам, бозоны опосредуют взаимодействия таким образом, что фермионы толкаются и притягиваются ко всему: от протонов до дикобразов, картофеля и планет.
Есть одно заметное исключение из этого строгого правила разделения квантовых состояний. Ограниченные всего лишь двумя измерениями, некоторые материалы могут вести себя подобно частицам, что нарушает статистические законы, ожидаемые от фермионов и бозонов, эффективно позволяя уникальную замену квантовых состояний.
Известные как Anyons , эти технические лазейки не могут распространяться на трехмерное пространство нашей Вселенной. и поэтому вряд ли будут представлены какими-либо настоящими фундаментальными частицами, которые нам еще предстоит открыть. Меньше новых возможностей в области квантового оборудования; они больше похожи на новый брелок, который можно купить на стойке регистрации.
Тем не менее, это никогда не мешало физикам-теоретикам возиться с квантовыми описаниями гипотетических частиц, чтобы увидеть, какие из них выживут, работая в области, называемой парастатистикой. Хотя это и чисто математический акт, это может раскрыть более глубокие истины о том, действительно ли фермионы и бозоны — это все, что существует, и если да, то почему.
С момента своего появления в начале-середине 20 века парастатистика не смогла найти ничего, что не попадало бы в фермионные или бозонные ящики. Фактически, по мере развития квантовых теорий со временем становилось все более очевидным, что любая теория, разработанная с помощью парастатистики, будет неотличима от Вселенной, состоящей только из фермионов и бозонов.
Ванг и Хаззард считают, что нашли причину для разногласий. Введя второй этап квантования, отличный от предыдущих методов, они показали, что коллективное поведение материалов может порождать частицы, которые действуют как анионы, даже когда они поворачивают за угол в трехмерной вселенной, более или менее идентичной нашей.
Эта концепция не позволяет проложить путь к совершенно новому классу частиц и служит лишь для того, чтобы показать, что мы может не захотеть закрывать книгу о возможности пока.
«Чтобы реализовать парачастицы в экспериментах, нам нужны более реалистичные теоретические предложения», — говорит Ван.
Однако, зная Стандартную модель, в аппаратном обеспечении квантовой физики еще нет ничего для общей теории относительности, и в нем нет места для кирпичей темной материи или столь же загадочных источников темной энергии, стоит иметь планы по расширению.
Это исследование было опубликовано в журнале Nature.
