Математика указывает на возможность существования необычных частиц

С момента возникновения квантовой механики как науки ученые считали, что все частицы можно разделить на две группы — бозоны и фермионы — в зависимости от их поведения.

Однако новое исследование физиков из Университета Райса показывает возможность существования частиц, которые не являются ни бозонами, ни фермионами. Их исследование математически демонстрирует потенциальное существование так называемых парачастиц (paraparticles), которые долгое время считались невозможными.

«Мы определили, что возможны новые типы частиц, о которых мы раньше не знали», — сказал Каден Хаззард, доцент кафедры физики и астрономии.

Квантовая механика долгое время считала, что все наблюдаемые частицы являются либо фермионами, либо бозонами. Эти два типа частиц различаются по тому, как они ведут себя, находясь рядом с другими частицами в данном квантовом состоянии.

Бозоны способны собираться в неограниченном количестве, тогда как в определенном состоянии может существовать только один фермион. Такое поведение фермионов объясняется принципом исключения Паули, который гласит, что не более двух электронов, каждый с противоположными спинами, могут занимать одну и ту же орбиталь в атоме.

«Такое поведение отвечает за всю структуру периодической таблицы», — говорит Каден Хаззард. «Это также причина, по которой вы не проваливаетесь сквозь свой стул, когда садитесь на него».

В 1930-х и 1940-х годах исследователи начали пытаться понять, могут ли существовать другие типы частиц. Квантовая теория таких частиц, известных как парачастицы, была сформулирована в 1953 году и широко изучалась сообществом физиков высоких энергий. Однако к 1970-м годам математические исследования, казалось, показали, что так называемые парачастицы на самом деле были просто замаскированными бозонами или фермионами. Единственным исключением было существование анионов, экзотического типа частиц, которые существуют только в двух измерениях.

Однако математические теории 1970-х годов и позже основывались на предположениях, которые не всегда верны в физических системах. Используя решение уравнения Янга-Бакстера, уравнения, полезного для описания обмена частицами, а также теорию групп и другие математические инструменты, ученые приступили к работе, чтобы показать, что парачастицы теоретически могут существовать и быть полностью совместимыми с известными ограничениями физики.

Мы определили, что возможны новые типы частиц, о которых мы раньше не знали Каден Хаззард

Исследователи сосредоточились на возбуждениях, которые можно рассматривать как частицы, в системах конденсированных сред, таких как магниты, чтобы предоставить конкретный пример того, как парачастицы могут возникать в природе.

Используя передовую математику, ученые смогли выполнить абстрактные алгебраические вычисления для разработки моделей систем конденсированного состояния, в которых возникают парачастицы. Они показали, что, в отличие от фермионов или бозонов, парачастицы ведут себя странным образом, когда они меняются своими положениями с внутренними состояниями частиц, трансмутирующих в ходе процесса.

Хотя они сами по себе являются новаторскими, эти модели являются первым шагом к лучшему пониманию многих новых физических явлений, которые могут происходить в системах парачастиц. Дальнейшее развитие этой теории может направлять эксперименты, которые могут обнаружить парачастицы в возбуждениях систем конденсированного вещества. «Чтобы реализовать парачастицы в экспериментах, нам нужны более реалистичные теоретические предложения», — говорят ученые.

Открытие новых элементарных частиц и свойств материалов может быть использовано в квантовой информации и вычислениях, например, для передачи информации путем манипулирования внутренними состояниями частиц.

Рассмотрение возможных приложений находится в зачаточном состоянии и все еще в основном представляет собой предположения. Это исследование является ранним шагом в изучении парастатистики в системах конденсированных сред, но куда могут привести эти открытия, неизвестно. Дальнейшее изучение новых типов открытых теорий и наблюдение парачастиц в системах конденсированных сред и других материалах станут предметом исследований в будущем.

Исследование опубликовано в журнале Nature.