„Pirmą kartą įrodė, kad egzistuoja kažkas daugiau nei fermionai ir bozonai.“ Pasirodo, „neįmanomos“ dalelės iš tikrųjų gali egzistuoti

Paradalelės nėra nauja idėja, tačiau anksčiau fizikai jas atmesdavo kaip neturinčias jokios reikšmės fizikinei tikrovei. Ši sąvoka atsirado dėl žinomų fundamentaliųjų dalelių skirstymo į dvi grupes – fermionus arba bozonus.

Skirtumas priklauso nuo to, kas atsitinka, kai dvi tos pačios grupės dalelės apsikeičia vietomis – apsikeitimas bozonais – pavyzdžiui, fotonais – nekeičia jų kvantinės banginės funkcijos, kuri yra išsamus matematinis jų savybių aprašymas. Tačiau apsikeitus dviem fermionais – pavyzdžiui, elektronais – jų banginė funkcija tampa neigiama.

Šis iš pirmo žvilgsnio paprastas skirtumas turi gilių fizikinių pasekmių. Tai reiškia, kad tą pačią erdvę gali užimti begalinis skaičius bozonų – tokiu principu veikia lazeriai, kuriuose daug fotonų gali susikaupti ir sukurti itin didelį energijos tankį. Priešingai, fermionai erdvėje visada turi išlikti atskirti, todėl neutroninės žvaigždės išlieka stabilios.

Šeštajame dešimtmetyje britų fizikas Herbertas Greenas pasiūlė sudėtingesnį dalelių apsikeitimo modelį, vadinamą parastatistika, pagal kurį kvantinė banginė funkcija gali būti pakeista kitais būdais – išskyrus tai, kad ji tampa neigiama. H. Greenas parodė, kad tai reiškia, jog gali egzistuoti daug naujų dalelių klasių, kurias jis pavadino parabozonais ir parafermionais. Jų dėka toje pačioje būsenoje galėtų egzistuoti tik tam tikras dalelių skaičius, o ne tik viena ar be galo daug. Tačiau šią idėją atidžiau išnagrinėję fizikai nustatė, kad šios paradalelės negalėtų apčiuopiamai skirtis nuo fermionų ar bozonų, todėl ši teorija atrodė nereikšminga.

Dabar Zhiyuanas Wangas ir Kadenas Hazzardas iš Rice'o universiteto JAV nustatė, kad dalelės iš tikrųjų gali būti fiziškai aptinkamos. „Mūsų darbas pirmą kartą įrodo, kad iš tikrųjų egzistuoja kažkas daugiau nei fermionai ir bozonai“, – sako Zh. Wangas.

Pirmiausia duetas sukūrė naują matematinį paradalelių aprašymą, į kurį įtraukė griežtesnes taisykles nei į ankstesnius apibrėžimus, pavyzdžiui, užtikrino, kad informacija negalėtų keliauti greičiau už šviesą. Tuomet jie parodė, kad egzistuoja konkrečios kvantinės sistemos, kuriose šios dalelės turėtų atsirasti kaip virpesiai ir būti fiziškai aptinkamos.

„Tai labai drąsus dalykas, nes visi laikosi tradicinės prielaidos, kad parastatistika nėra fizikinis reiškinys, ir, remdamiesi juo, apeina šią temą, – sako Lydso universiteto (Jungtinė Karalystė) mokslininkas Jiannis Pachosas. – Tačiau šie vaikinai grįžo prie jos ir įrodė, kad jos gali egzistuoti, o tai yra fantastiška“.

Tačiau ne visi tuo įsitikinę. „Tai įdomus pastebėjimas, tačiau neaišku, kaip lengvai tai bus galima įgyvendinti gamtoje“, – sako Oksfordo universiteto atstovas Paulas Fendley. Pasak jo, norint stebėti šias daleles, reikėtų tobulinti mūsų gebėjimą valdyti kvantines būsenas, o tai greičiausiai įvyks tik po daugelio metų. „Tai principinis įrodymas, tačiau principas neapima nieko, kas bent jau šiuo metu artima realybei“, – sako jis.

Vienas iš naujojo darbo apribojimų yra tas, kad mokslininkai kol kas parodė, jog dalelės gali egzistuoti tik viename arba dviejuose matmenyse, nors niekas neatmeta jų egzistavimo trijuose. Kitas trūkumas yra tas, kad Zh. Wangas ir K. Hazzardas siūlo kvazidaleles, kurios, kaip rodo pavadinimas, nėra fundamentaliosios dalelės – tokios kaip elektronai ar fotonai – o yra kolektyviniai virpesiai, veikiantys taip, tarsi būtų dalelės. Zh. Wangas ir K. Hazzardas taip pat spėja, kad paradalelės galėtų egzistuoti kaip fundamentaliosios dalelės – nes matematika to neatmeta – tačiau jie neturi jokių konkrečių įrodymų, kur ir kaip jos galėtų pasireikšti.

Neaišku, ar šios paradalelės, jei jos kada nors bus pastebėtos, galėtų turėti kokią nors praktinę naudą – tačiau kitos rūšies kvazidalelės, stebėtos dvimatėse erdvėse, vadinamos anjonu, galėtų būti naudingos kvantinių kompiuterių sistemoms, nes turi unikalią savybę – turi atmintį apie savo apsikeitimo elgesį.

„Šiuo metu neturime akivaizdaus [parapartinių dalelių] pritaikymo, tai tiesiog kažkas įdomaus ir egzotiško, tačiau praeityje tai pasirodė esanti pakankamai gera priežastis investuoti į jų tyrimus“, – sako J. Pachosas.

Tyrimas paskelbtas žurnale „Nature“.

Parengta pagal „New Scientist“.