«Парачастицы»: физики нашли третье царство квантовых частиц
До сих пор ученые считали, что в трехмерном пространстве могут существовать только бозоны и фермионы.
Светлана ЛевченкоАвтор новостей
В разгар пандемии 2021 года аспирант Университета Райса Чжиюань Ван, спасаясь от скуки, занялся странной математической задачей. Она казалась отвлеченной, даже абстрактной, но ее формулы описали поведение частиц, не похожих ни на обычные частицы материи — фермионы, ни на переносчики взаимодействий — бозоны. Так началась история третьего класса частиц — парачастиц, которые, по мнению Вана и его научного руководителя Кадена Хаззарда, могут теоретически существовать и даже образовывать новые, экзотические состояния вещества.
В 2024 году, уже будучи постдоком в Институте квантовой оптики Макса Планка в Германии, Ван совместно с Хаззардом опубликовал свою работу, описав в ней парачастицы как возможную физическую реальность. Исследование вызвало интерес научного сообщества, так как оно бросает вызов устоявшимся представлениям о фундаментальной структуре природы. До сих пор считалось, что в трехмерном пространстве возможны только два типа элементарных частиц: фермионы, которые не могут находиться в одном квантовом состоянии (благодаря принципу исключения Паули), и бозоны, которые, наоборот, с легкостью «собираются в кучу», как фотоны в лазере.
Парачастицы, если они существуют, занимают промежуточное положение: они могут делить одно квантовое состояние между собой, но не бесконечно — лишь ограниченным числом. Это открывает двери к совершенно новым квантовым фазам вещества и физике, которая ранее считалась невозможной. Однако с момента появления DHR-теорем в 1970-х парачастицы были практически изгнаны из поля зрения ученых: согласно этим теоремам, при соблюдении определенных условий, включая локальность и трехмерность пространства, возможны только бозоны и фермионы.
Работа Вана и Хаззарда аккуратно обходит эти ограничения. Ученые показали, что парачастицы могут существовать, если не придерживаться некоторых предпосылок DHR-теорем — в частности, идеи полной неразличимости частиц в контексте квантовой суперпозиции. В новой модели парачастицы обладают скрытыми внутренними свойствами, которые нельзя напрямую измерить, но которые изменяются при перестановке частиц. В качестве аналогии можно представить, что эти свойства — цвета частиц, которые меняются при их перемещении, например, с красного и синего на зеленый и желтый. Эти незаметные изменения делают физику парачастиц более сложной и богатой, чем классическое разделение на бозоны и фермионы.
Почти одновременно с публикацией Вана и Хаззарда другой физик, Маркус Мюллер из Института квантовой оптики и квантовой информации в Вене, независимо подошел к теме парачастиц с иной стороны. Его команда пыталась понять, какие частицы вообще могут существовать в природе, если учитывать особые свойства квантовой суперпозиции и способы, которыми разные наблюдатели могут описывать одну и ту же систему. Предварительный вывод — если частицы должны быть абсолютно неразличимыми в любой возможной ветви квантовой реальности, то парачастицы невозможны. Однако модель Вана с самого начала не предполагала такой строгой неразличимости, и именно это дало ей «выход за рамки» традиционной теории.
Пока что парачастицы остаются лишь теоретической концепцией, но ученые надеются, что парачастицы можно будет реализовать как квазичастицы в квантовых материалах или при помощи ридберговских атомов — возбужденных частиц, которые идеально подходят для симуляции сложных квантовых систем. Если экспериментально подтвердить существование парачастиц, это изменит не только наше понимание микромира, но и даст новые инструменты для разработки квантовых технологий.
Как подчеркнул лауреат Нобелевской премии Фрэнк Вильчек, изобретатель других экзотических частиц — анионов, пока парачастицы остаются «в основном теоретическим курьезом». Но, как показывает история науки, то, что сегодня считается курьезом, завтра может стать основой физики.
Ранее физики разработали скручиваемые материалы с квантовыми свойствами.
Поделиться
