Третья область квантовых частиц открыта

В мире квантовой физики существует два известных типа элементарных частиц: фермионы и бозоны. Фермионы — это те частицы, которые подчиняются принципу исключения Паули, не могут находиться в одной точке в одной квантовой состоянии, что обеспечивает стабильность атомов и всей материи. Бозоны, напротив, не имеют таких ограничений: множество бозонов могут занимать одинаковое квантовое состояние, что дает возможность создавать лазеры и сверхтекучесть. Однако последние исследования показывают, что в природе может существовать третий тип — парачастицы, которые превращают привычную картину мира в более сложную и загадочную.

Истоки идеи парачастиц

Все началось в 2021 году, когда студент-исследователь Жиюань Ван из Института Рис в Техасе решил провести теоретический эксперимент, решая странную математическую задачу. Его решение не укладывалось в рамки известных моделей, и внезапно он осознал, что его уравнения могут описывать нечто принципиально новое — частицу, не являющуюся ни фермионом, ни бозоном. Ван был настолько увлечен этим открытием, что обратился к своему научному руководителю — Кадену Хаздару.

Когда я понял, что это может иметь физический смысл, я предложил Вану полностью сосредоточиться на этой идее и забыть о всех остальных проектах, — вспоминает Хаздар.

Результаты работы Вана и Хаздара были опубликованы в журнале Nature в январе. В ней они показали, что более того, парачастицы действительно могут существовать и, благодаря уникальным свойствам, формировать новые, необычные состояния материи. Этот прорыв вновь открыл вопросы, которые казались закрытыми, — какие виды элементарных частиц по-настоящему возможны в нашем мире?

Фундаментальные категории частиц и их ограничения

Классические модели разделяют все известные элементарные частицы на фермионы и бозоны. Причина этого — их поведение при обмене местами. Для фермионов, таких как электроны или протоны, при смене мест два идентичные частицы меняют знак своей квантовой волновой функции, что и обеспечивает принцип исключения. Этот принцип лежит в основе структуры атомных орбит и стабильности материи.

Бозоны, такие как фотоны или глюоны, — наоборот, при обмене не меняют свою квантовую функцию, оставаясь идентичными, что позволяет бесконечному количеству частиц занимать одно и то же состояние. Это свойство и дает возможность создавать лазеры и другие квантовые устройства.

Но почему допустим только эти два типа? В 1925 году Вольфганг Паули сформулировал принцип исключения для фермионов, который стал краеугольным камнем квантовой механики. Однако о возможности существования более сложных и универсальных частиц задумались еще в середине XX века.

Магия внутреннего состояния и теория парачастиц

В квантовой механике состояние частицы описывается не только ее положением и энергией, но и внутренними характеристиками, такими как спин или изотопный момент. В некоторых теориях предполагается наличие скрытых внутренних структур. В рамках этих идей появилась концепция парачастиц — частиц, обладающих внутренними свойствами, которые меняются при обмене местами, и эти свойства исчезают, только когда происходит измерение.

Несмотря на привлекательность идеи, разработать математическую модель парачастиц оказалось непросто. В 1950-х Herbert Green предпринял попытки, но вскоре стало ясно, что его модели — это просто комбинации фермионов и бозонов. В 1970-х годах Теорема Дорлихера и других математиков (DHR-теория) окончательно закрепила представление о том, что только фермионы и бозоны возможны в трехмерном пространстве, при условии локальности.

Однако, в 1980-х Франк Вильчек предложил «анитонов» — частицы, существующие только в двух измерениях, — которые не подчиняются законам фермионов и бозонов, а обладают уникальными свойствами. Эти анионы нашли применение в области квантовых вычислений и квантовой топологии.

Новые взгляды на ограничения DHR и открытие возможностей

Обнаружение парачастиц в трехмерном пространстве казалось невозможным много десятилетий. Однако Ван и Хаздар показали, что исходный подход базировался на слишком строгих предположениях о локальности и идентичности частиц. Их новая модель предполагает, что парачастицы обладают скрытыми внутренними свойствами, которые меняются при обмене, но не всегда могут быть напрямую измерены.

«Мы осознали, что ограничения, вытекающие из теорем Дорлихера, основаны на предположениях, которые можно оспорить, — говорит Хаздар. — В частности, при рассмотрении суперпозиционных состояний и перестановки частиц в них возникает новая динамика, позволяющая существование парачастиц в трёх измерениях». В их модели, при обмене двух парачастиц, внутренние свойства меняются, что влияет на их взаимное поведение и, в конечном итоге, на возможность их наблюдения различными экспериментаторами.

Модель предполагает, что парачастицы могут формировать новые фазы материи, создавая уникальные состояния, которые будут занимать промежуточное положение между классическими фермионами и бозонами. Количество частиц, которые могут находиться в одном и том же квантовом состоянии, ограничено, но не равно нулю, что открывает новые возможности для моделирования новых материалов и квантовых систем.

Практическое применение и перспективы

Если парачастицы действительно существуют, то их можно обнаружить в специально подготовленных квантовых системах. Например, в материалах с особой топологической структурой, в квантовых компьютерах или через использование атомов Rydberg — возбужденных атомов с очень удаленными электронами, которые чувствительны к электрическим полям. Такие системы могут обеспечить условия для появления парачастиц в лабораторных условиях.

«Эксперименты с Rydberg-атома на базе современных квантовых симуляторов — это уникальная возможность наблюдать парачастицы, — говорит экспериментальный физик Брайс Гэдью из Университета штата Пенсильвания. — Они позволяют подготовить систему, где можно наблюдать эффект обмена и внутренние свойства парачастиц в реальных условиях». Уже сейчас такие технологии используются для моделирования сложных квантовых систем, а появление парачастиц стало бы новым этапом в развитии квантовых материалов и технологий.

Будущее и вызовы

Несмотря на обещающие теоретические разработки, парачастицы остаются гипотетическими. Их обнаружение требует точных экспериментов и новых подходов. На сегодняшний день, по мнению ведущих ученых, парачастицы — скорее теоретическая перспектива, чем реальный объект текущих исследований, — однако их возможности вызывают большой интерес и могут радикально изменить представление о мире элементарных частиц.

«Парачастицы могут стать ключом к новым фазам материи и революционизировать квантовые технологии, — утверждает лауреат Нобелевской премии Франц Вильчек. — Но пока это — всего лишь теоретическая концепция, требующая подтверждения экспериментами». В будущем появление таких частиц станет поворотным моментом не только для фундаментальной физики, но и для практических технологий будущего.

История показывает, что граница между известным и неизведанным постоянно раздвигается, и парачастицы могут стать следующим шагом в этом путешествии в глубины квантового мира.