|
Новый класс странных одномерных частиц
|
|
|
|
Физики уже давно классифицируют каждую элементарную частицу в нашей трехмерной вселенной либо как бозон, либо как фермион - первая категория в основном включает в себя переносчики энергии, такие как фотоны, а вторая включает в себя строительные блоки повседневной материи, такие как электроны, протоны или нейтроны. Но в более низких измерениях пространства четкая классификация начинает нарушаться.
|
|
|
|
С 70—х годов предсказывалось существование третьего класса частиц, улавливающих что-то среднее между фермионом и бозоном, получивших название анионов, и в 2020 году эти странные частицы были экспериментально обнаружены на границе раздела переохлажденных, сильно намагниченных полупроводников толщиной в один атом (то есть двумерных). И вот теперь, в двух совместных статьях, опубликованных в журнале Physical Review A, исследователи из Окинавского института науки и технологий (OIST) и Университета Оклахомы определили одномерную систему, в которой могут существовать такие частицы, и исследовали их теоретические свойства.
|
|
|
|
Благодаря недавним достижениям в области экспериментального управления отдельными частицами в ультрахолодных атомных системах, эти работы также заложили основу для изучения фундаментальной физики настраиваемых анионов в реалистичных экспериментальных условиях. "Каждая частица в нашей Вселенной, по-видимому, строго делится на две категории: бозонные и фермионные. Почему нет других?" - спрашивает профессор Томас Буш из отдела квантовых систем OIST.
|
|
|
|
"Благодаря этим работам мы открыли дверь для улучшения нашего понимания фундаментальных свойств квантового мира, и очень интересно посмотреть, к чему приведет нас теоретическая и экспериментальная физика".
|
|
|
|
|
|
|
Открытие бинарной системы бозон/фермион.
|
|
|
|
Элементарная классификация основана на том, как ведут себя две идентичные частицы, когда они меняются местами. Экспериментальные наблюдения указывают на строгую бинарность в 3D: либо частицы остаются полностью неизменными, как в случае с бозонами, либо система инвертируется, как в случае с фермионами — других вариантов, похоже, не существует.
|
|
|
|
Эта бинарность вытекает из основного принципа неразличимости в квантовой физике. В классической физике, если у вас есть два одинаковых шарика и вы покрасите один в красный, а другой в синий, вы сможете отличить их друг от друга, даже если они поменяются местами. Но на квантовом уровне две идентичные частицы — скажем, электроны — не могут быть окрашены в красный или синий цвет. Если их квантовые свойства идентичны, их невозможно отличить. Таким образом, если они меняются местами, их новая конфигурация физически неотличима от предыдущей. И поскольку физическое состояние должно оставаться неизменным, измеримые свойства этой двухчастичной системы не могут измениться.
|
|
|
|
Рауль Идальго-Сакото, аспирант отделения OIST, объясняет: "Поскольку такой обмен эквивалентен ничегонеделанию, математическая статистика, управляющая этим событием, известная как коэффициент обмена, должна подчиняться простому правилу: квадрат коэффициента обмена должен быть равен 1. Единственные два числа, которые удовлетворяют этому правилу, - это +1 и -1. Вот почему все частицы должны быть соответственно бозонами, для которых коэффициент равен 1, или фермионами, для которых коэффициент равен -1."
|
|
|
|
Такая классификация имеет физические последствия. Бозоны, как правило, действуют единообразно: вспомните лазеры, в которых фотоны одинаковой длины волны (цвета) движутся в гармонии друг с другом, или конденсаты Бозе-Эйнштейна, в которых ультрахолодные атомы принимают одинаковое состояние. Фермионы, с другой стороны, антисоциальны: электроны, протоны и нейтроны не могут находиться в одном и том же состоянии, и, кстати, именно поэтому у нас есть периодическая таблица различных элементов.
|
|
|
|
Если в трех измерениях у нас есть только два вида частиц, то почему в более низких измерениях их может быть больше? Причина в том, что здесь у частиц меньше возможностей перемещаться друг вокруг друга, и когда их пути пересекаются — когда они меняются местами — обмен становится запутанным в пространстве и времени, а это означает, что частицы невозможно распутать, следовательно, новое состояние уже неотличимо от предыдущего.
|
|
|
|
Идальго-Сакото продолжает: "В более низких измерениях этот обмен больше не является топологически эквивалентным бездействию. Чтобы удовлетворить закону неразличимости, нам нужны коэффициенты обмена в непрерывном диапазоне для учета обмена, зависящие от точных изгибов и поворотов путей".
|
|
|
|
Таким образом, может существовать новый класс частиц, который захватывает частицы с коэффициентом обмена, отличным от +1 или -1: анионы, которые не являются ни бозонами, ни фермионами.
|
|
|
|
В только что опубликованных работах Идальго-Сакото и его коллеги показали, что в трехмерном пространстве двоичная система остается разорванной с интересным добавлением непосредственно настраиваемого коэффициента обмена. В трехмерном пространстве частицы больше не могут меняться местами, двигаясь вокруг друг друга, а должны проходить друг сквозь друга.
|
|
|
|
Таким образом, коэффициент обмена становится принципиально иным, чем в более высоких измерениях, и на самом деле, как показывают работы, он связан с силой взаимодействия между частицами на малых расстояниях. В экспериментальном плане это позволяет осуществлять детальный контроль над результирующей статистикой обмена, предлагая множество интересных экспериментов и вопросов, которые необходимо как задать, так и получить на них ответы.
|
|
|
|
"Мы установили, что не только сама возможность существования одномерных анионы, но мы также показали, как их статистике биржи могут быть сопоставлены, и, возбуждающе, как их характер можно наблюдать через их распределения по импульсам", - резюмирует профессор. Буш. - Экспериментальные установки, необходимые для проведения этих наблюдений, уже существуют. Мы очень рады видеть, какие открытия будут сделаны в этой области в будущем и что это может рассказать нам о фундаментальной физике нашей Вселенной".
|
|
|
|
Источник
|
