Tudomány
Új részecskék írhatják át a kvantumfizika alapjait
A fizikusok évtizedeken át úgy gondolták, hogy az univerzum minden elemi részecskéje két nagy csoportba sorolható: bozonokra és fermionokra. A bozonok közvetítik az alapvető kölcsönhatásokat – ilyen például a fény részecskéje, a foton –, míg a fermionok alkotják az anyagot, köztük az elektronokat, protonokat és neutronokat.
Most azonban új kutatások arra utalnak, hogy a kvantumvilág ennél sokkal bonyolultabb lehet. Az Okinawa Institute of Science and Technology és az University of Oklahoma kutatói olyan különleges részecskék viselkedését vizsgálták, amelyek nem illenek bele a hagyományos felosztásba.
Ezeket az egzotikus részecskéket „anyonoknak” nevezik. Létezésüket már az 1970-es években megjósolták, és 2020-ban sikerült először kísérletileg is megfigyelni őket kétdimenziós rendszerekben. Az új tanulmányok azonban most azt mutatják, hogy akár egydimenziós rendszerekben is létrejöhetnek.
Miért csak kétféle részecskét ismertünk eddig?
A bozonok és fermionok közötti különbség abból adódik, mi történik akkor, amikor két azonos részecske helyet cserél egymással. A kvantummechanika szerint háromdimenziós térben ennek csak kétféle eredménye lehet: vagy semmi nem változik – ez a bozonok viselkedése –, vagy a rendszer „előjelet vált”, ami a fermionokra jellemző.
(+1)2=1,(−1)2=1(+1)^2 = 1,\quad (-1)^2 = 1(+1)2=1,(−1)2=1
A kutatók szerint ennek oka az úgynevezett megkülönböztethetetlenség elve. Míg a hétköznapi tárgyakat könnyen meg tudjuk különböztetni egymástól, két teljesen azonos kvantumrészecskét nem lehet egyedileg „megjelölni”.
A két részecskecsalád egészen eltérően viselkedik. A bozonok szeretnek ugyanabba az állapotba kerülni – ennek köszönhetők például a lézerek vagy a Bose–Einstein-kondenzátumok. A fermionok ezzel szemben „taszítják” egymást kvantumállapotaikban, ami lehetővé teszi az atomok és a periódusos rendszer összetett szerkezetét.
Az alacsonyabb dimenziók új szabályokat teremtenek
A kutatók szerint az anyonok azért jelenhetnek meg alacsonyabb dimenziókban, mert ott a részecskék mozgása sokkal korlátozottabb. Kétdimenziós vagy egydimenziós rendszerekben a részecskék pályái „összefonódhatnak”, és a helycsere már nem tekinthető egyszerűen ugyanannak az állapotnak.
Ez megnyitja az utat olyan részecskék előtt, amelyek nem tisztán bozonként vagy fermionként viselkednek. Az új tanulmányok egyik legfontosabb eredménye, hogy egydimenziós rendszerekben ezeknek az anyonoknak a tulajdonságai akár szabályozhatók is lehetnek.
A kutatók szerint az úgynevezett „cserefaktor” a részecskék közötti rövid hatótávolságú kölcsönhatások erősségétől függhet, vagyis laboratóriumi körülmények között finomhangolhatóvá válhat.
A tudósok úgy vélik, az ehhez szükséges kísérleti technológia már ma is rendelkezésre áll ultrahideg atomrendszerekben. Az eredmények nemcsak a kvantummechanika mélyebb megértéséhez vezethetnek, hanem hosszú távon új kvantumszámítógépes vagy kvantumtechnológiai alkalmazások előtt is megnyithatják az utat.
Forrás: Sciencedaily.com