Дослідження будь-яонів: новий клас частинок у фізиці
Обмежуючи дивний клас частинок, відомий як будь-яони, до одновимірного простору, вчені можуть змусити їх прийняти одну з двох нових форм. Моделі свідчать про нові фундаментальні взаємодії у фізиці частинок. У тривимірному просторі частинки поділяються на дві групи: ферміони, які зазвичай описують частинки, що не перекриваються, такі як електрони та кварки, та бозони, які описують частинки сил, що можуть легко проходити одна через одну.
«Кожна частинка у нашому Всесвіті, здається, суворо підпадає під дві категорії: бозонна або ферміонна», — говорить фізик Томас Буш з Окінава Інституту науки та технологій (OIST) у Японії. «Чому немає інших?»
Виникнення будь-яонів
Півстоліття тому теоретичні фізики дійшли висновку, що статистика за цими правилами не є такою вже простою, коли одна з вимірностей видалена. Результатом стала категорія “будь-яон” — третя група, яка не є ані бозоном, ані ферміоном, що виникає у плоскому, двовимірному середовищі.
З тих пір експериментальні дані про існування будь-яонів зростають, при цьому лабораторні дослідження знаходять нові способи обмеження частинок, таких як електрони, щоб змусити цю третю групу з’явитися. Тепер фізики з OIST та Університету Оклахоми в США дослідили їх у одновимірному просторі, виявивши новий рівень складності в поведінці будь-яонів.
Взаємодія частинок у одновимірному просторі
«Ми виявили не тільки можливість існування одновимірних будь-яонів», — говорить Буш, — «але також показали, як їх статистика обміну може бути відображена і, що надзвичайно цікаво, як їх природа може бути спостережена через розподіл імпульсів». Частинки поводяться по-різному в різних вимірностях.
Коли частинки застряють у 1D-просторі, вони не можуть обійти одна одну, змушуючи їх взаємодіяти. Оскільки взаємодії частинок є ключовою частиною їх класифікації, одновимірні простори дають вченим можливість аналізувати характеристики частинок.
Соціальність частинок: бозони vs. ферміони
Однією з ключових відмінностей між бозонами та ферміонами є те, наскільки вони “соціальні”. У дуже простих словах, бозони схильні групуватися, тоді як ферміони цього не роблять. У тісних умовах одновимірного простору ця “соціальність” стає ще важливішою.
| Тип частинок | Характеристика |
|---|---|
| Бозони | Схильні групуватися, можуть проходити через інші частинки. |
| Ферміони | Не перекриваються, кожен ферміон займає свою унікальну квантову стан. |
Категоризація будь-яонів
Що стосується будь-яонів, дослідники дійшли висновку, що ці примусові взаємодії дозволяють їх класифікувати на бозонні та ферміонні типи будь-яонів. Вони також виявили фактор взаємодій будь-яонів, який контролює, наскільки бозонною або ферміонною є певна частинка. Більше того, команда показала, як вимірювання розподілу імпульсів частинки може служити надійним способом виявлення їх “відбитка”.
«Як бозони і ферміони, бозонні та ферміонні будь-яони мають різну статистику обміну частинок», — пишуть дослідники в одній з їх публікованих статей. На цьому етапі результати є теоретичними і чекають на верифікацію через експерименти. Проте навіть у теоретичній формі результати змінюють наше фундаментальне розуміння частинок та їх взаємодій.
Перспективи досліджень у фізиці частинок
«Експериментальні установки, необхідні для цих спостережень, вже існують», — говорить Буш. «Ми в захваті від того, які відкриття можуть бути зроблені в цій галузі, і що це може розповісти нам про фундаментальну фізику нашого Всесвіту». Зростає інтерес до досліджень, які виходять за межі бінарної ідеї бозонів і ферміонів, відомих більш загально як парастатистика. Хоча не всі погоджуються, що є багато чого ще для вивчення, деякі з основних математичних обґрунтувань вказують на те, що ми ще не маємо повної картини фізики.
Дослідження було опубліковано у Physical Review A, тут і тут.