В класическата физика на елементарните частици всичко в нашата триизмерна вселена се дели на две строги категории: бозони и фермиони. Бозоните (като фотоните) са преносители на взаимодействия, докато фермионите (електрони, протони и неутрони) изграждат материята. Това фундаментално разделение обаче започва да избледнява, когато физиката се пренесе в светове с по-ниска размерност.
Още през 70-те години на миналия век учените теоретично предсказаха съществуването на „среден“ тип частици – аниони.
Те не са нито чисти бозони, нито чисти фермиони. Първото им експериментално потвърждение дойде през 2020 г. в двуизмерни системи (слоеве с дебелина един атом).
Сега изследователи от Университета в Окинава (OIST) и Университета в Оклахома направиха следващата голяма стъпка. В две нови публикации в Physical Review A екипът описа как аниони могат да съществуват и в едноизмерни системи, изследвайки тяхното необичайно поведение.
Разликата между познатите ни частици се крие в това какво се случва, когато две идентични частици разменят местата си. В 3D пространството съществуват само два математически сценария:
- Системата остава идентична (бозони, обменен фактор $+1$).
- Системата променя знака си (фермиони, обменен фактор $-1$).
Тъй като квадратът на обменния фактор задължително трябва да е равен на $1$, числата $+1$ и $-1$ изглеждаха като единствените възможни варианти.
В триизмерния свят траекториите на частиците могат лесно да бъдат „разплетени“. Когато обаче преминем към две или едно измерения, пътищата на частиците се преплитат по начин, който не позволява лесното им разграничаване.
В тези условия обменът вече не е еквивалентен на пълно бездействие, което позволява съществуването на анионите.
Учените откриха, че в 1D системи обменният фактор не е фиксиран, а може да се настройва. Тъй като в едно измерение частиците не могат да се заобикалят, те трябва да преминат „през“ себе си.
Изследването показва, че статистиката на този обмен е пряко свързана със силата на краткодействащите взаимодействия между частиците.
„Отворихме вратата към по-дълбоко разбиране на фундаменталните свойства на квантовия свят“, споделя Томас Буш от OIST. Най-вълнуващото е, че теоретичните модели вече могат да бъдат тествани в реални лаборатории чрез свръхстудени атомни системи.
Възможността за прецизен контрол върху статистиката на обмена обещава разкриването на изцяло нови квантови явления, които доскоро се смятаха за математическа екзотика.
Физиците вече разполагат с необходимата апаратура, за да наблюдават природата на тези „хибридни“ частици чрез разпределението на техните импулси.
