Квантовый мир встревожен: найден загадочный тип частиц с необычными свойствами

В научном сообществе редко случается, чтобы одна случайная математическая загадка способствовала переосмыслению основ квантовой физики. Однако именно так начался путь к открытию парачастиц — нового класса элементарных частиц, который обещает расширить наше понимание мира.

Открытие, которое изменило всё

В 2021 году аспирант Университета Райса Чжиюань Ван в разгар пандемии занялся изучением необычного математического уравнения. Его внимание привлекло решение, которое не вписывалось ни в одну из известных категорий частиц — ни фермионов, ни бозонов. Этот загадочный объект оказался чем-то принципиально иным.

"Я сказал, что не уверен, что это правда", — вспоминает научный руководитель Вана Кейден Хаззард.

Ван и Хаззард развили идею, и в январе этого года они опубликовали статью в журнале Nature, где утверждают: третий тип частиц — парачастицы — не только теоретически возможен, но и может формировать новые, необычные материалы.

Фермионы и бозоны: классика квантовой физики

Все элементарные частицы, которые сегодня считаются основой материи и взаимодействий, делятся на две группы.

• Фермионы — строительные блоки материи. Они подчиняются принципу исключения Паули: два фермиона не могут находиться в одном и том же квантовом состоянии. Именно это предотвращает коллапс вещества и обеспечивает структуру атомов.
• Бозоны — частицы-переносчики взаимодействий, которые могут сосуществовать в одном состоянии в бесконечном количестве. Именно это лежит в основе работы лазеров и других квантовых эффектов.

Однако, почему частицы должны быть именно такими, казалось очевидным вопросом. Неужели других вариантов не существует?

Третья возможность — парачастицы

Теоретически, в квантовой механике существует возможность скрытых внутренних состояний у частиц, которые исчезают при измерении, подобно тому, как знак "минус" исчезает при возведении в квадрат квантового состояния фермионов. Это даёт пространство для более сложных вариантов частиц — парачастиц.

В 1950-х попытки описать парачастицы сталкивались с проблемами: большинство моделей сводились к обычным бозонам или фермионам. В 1970-х ситуация казалась окончательно решённой — теорема DHR (по именам Допликера, Хаага и Робертса) исключала существование третьего типа частиц при условии локальности и трёхмерности пространства.

Тем не менее, физик Фрэнк Вильчек в 1980-х показал, что в двух измерениях возможны частицы — анионы — которые не укладываются в классические категории. Однако трёхмерные парачастицы до сих пор казались невозможными.

Новые взгляды на старые теоремы

Исследователи Ван и Хаззард нашли, что допущения, лежащие в основе теоремы DHR, слишком строги. Их модель допускает парачастицы с дополнительными скрытыми свойствами, которые нельзя напрямую измерить, но которые меняются при перестановке двух таких частиц. Это приводит к сложному внутреннему "танцу" свойств, похожему на смену цветов при обмене.

Одновременно физик Маркус Мюллер и его команда рассматривали вопрос с точки зрения квантовых суперпозиций и различных "ветвей" реальности. Они ввели более жёсткие критерии неразличимости частиц, и пришли к выводу, что в таком случае парачастицы невозможны — частицы должны быть либо фермионами, либо бозонами.

Тем не менее, работы Вана и Хаззарда и Мюллера не противоречат друг другу. Первые отказались от строгого требования неразличимости в квантовых суперпозициях, что и позволяет существование парачастиц. При этом парачастицы ведут себя иначе: их можно различить, если обмен информацией происходит между разными наблюдателями.

Путь к новым материалам и экспериментам

Парачастицы обещают появление новых экзотических фаз материи — промежуточных между фермионами и бозонами. Они могут "упаковываться" вместе в ограниченном количестве, что открывает необычные квантовые свойства.

"Мы можем получить новые модели экзотических фаз, которые раньше было трудно понять, а теперь их можно легко решить с помощью парачастиц", — говорит физик Мэн Чэн из Йельского университета.

Брайс Гэдвей из Университета Пенсильвании уверен, что парачастицы можно будет наблюдать в лабораториях на базе ридберговских атомов, у которых электроны находятся далеко от ядра, делая их особенно чувствительными к квантовым эффектам..