Исследователи математически доказали существование «парачастиц», типа экзотических частиц, которые ранее считались невозможными и не поддавались традиционной классификации. Используя передовые математические уравнения, команда показала, что они полностью совместимы с известными ограничениями физики. Эти новые результаты могут привести к интересным применениям в области квантовых вычислений.
В квантовой механике давно предполагается, что частицы можно разделить на две группы в зависимости от их поведения: фермионы и бозоны. Бозоны — это субатомные частицы с целым спином, подчиняющиеся статистике Бозе-Эйнштейна (статистическое распределение неразличимых бозонов как функция энергетических состояний системы при термодинамическом равновесии), в то время как фермионы имеют полуцелый спин.
Фермионы (лептоны и кварки) — это элементарные частицы, из которых состоит материя, а бозоны (фотоны, глюоны, гравитоны и т. д.) — это векторы сил, которые связывают материю воедино. Неограниченное число бозонов может группироваться в одном квантовом состоянии, в то время как один фермион может занимать определенное состояние. Такое поведение фермионов объясняет тот факт, что не более двух электронов (с противоположными спинами) могут занимать одну и ту же атомную орбиталь (трехмерную область атома, где электрон с наибольшей вероятностью может находиться). «Это поведение отвечает за всю структуру периодической таблицы», — объясняет Кейден Хаззард, соавтор нового исследования, в блоге Университета Райса (Техас).
Физики начали изучать возможность существования других типов частиц, которые не являются ни бозонами, ни фермионами, в 1930-х и 1940-х годах. Известные как «парачастицы», они широко изучаются в области теоретической физики высоких энергий. Однако в 1970-х годах некоторые математики предположили, что эти парачастицы могут быть просто бозонами или фермионами с необычными характеристиками. Анионы, тип экзотических частиц, характерных для двумерных систем, которые не являются ни бозонами, ни фермионами, могут быть единственным исключением.
Однако теории, выдвинутые в 1970-х годах, и те, что последовали за ними, основаны на предположениях, которые не всегда совместимы с физическими системами. Каден и его коллега Чжиюань Ванг, бывший аспирант Университета Райса, а ныне постдокторский исследователь в Институте квантовой оптики Макса Планка (Германия), недавно впервые продемонстрировали, что парачастицы могут существовать в рамках известных ограничений физики. «Мы установили, что возможны новые типы частиц, о которых мы никогда раньше не слышали», — говорит Хаззард.
Странное поведение, отличающееся от бозонов и фермионов
Чтобы разработать свою теорию, исследовательский дуэт сосредоточился на возбуждениях в конденсированных системах, таких как магниты. Возбуждения можно рассматривать как частицы, и они могут служить надежными примерами того, как парачастицы могут возникать в природе. «Частицы — это не только фундаментальные элементы, они также важны для описания материалов», — объясняет Хаззард.
Для моделирования систем конденсированной материи они использовали сложные математические уравнения, такие как уравнение Янга-Бакстера (описывающее обмен частицами), алгебру Ли, алгебру Хопфа и теорию представлений. Чтобы лучше соотнести эти уравнения с системами конденсированного вещества, они использовали наглядный метод, основанный на диаграммах тензорных сетей. «Это междисциплинарное исследование, затрагивающее несколько областей теоретической физики и математики», — говорит Ванг.
Они продемонстрировали, что парачастицы могут возникать в конденсированных системах естественным образом, с учетом существующих законов физики. В отличие от фермионов и бозонов, они ведут себя странным образом, когда обмениваются позициями с внутренними состояниями частиц при их трансмутации.
«Это говорит о потенциальном существовании нового типа квазичастиц в системах конденсированного вещества и, более того, о существовании доселе неизвестных типов элементарных частиц», — пишут исследователи в своей работе, опубликованной в журнале Nature.
Однако это лишь предварительные результаты, и необходимо дальнейшее развитие, чтобы прийти к теориям, на основе которых можно проводить эксперименты по обнаружению парачастиц в конденсированных системах. «Чтобы проводить эксперименты с парачастицами, нам нужны более реалистичные теоретические предложения», — объясняет Ванг.
Обнаружение этих новых типов частиц и новые свойства материалов, которые могут быть получены в результате их использования, могут быть очень полезны для квантовых вычислений. Например, можно было бы передавать зашифрованную информацию, манипулируя внутренними состояниями частиц. Однако на данный момент эти потенциальные применения носят спекулятивный характер. «Я не знаю, куда это нас приведет, но знаю, что узнать об этом будет очень интересно», — заключает Хаззард.
