Δεν είναι ούτε φερμιόνια ούτε μποζόνια
Οι θεωρητικοί φυσικοί έχουν προτείνει την ύπαρξη ενός νέου τύπου σωματιδίου που δεν ταιριάζει στις συμβατικές ταξινομήσεις των φερμιονίων και των μποζονίων. Το «παρασωματίδιο» τους περιγράφεται στη δημοσίευση του περιοδικού Nature με τίτλο «Particle exchange statistics beyond fermions and bosons» . Η έρευνα υποδεικνύει ότι στη φύση μπορεί να υπάρχουν στοιχειώδη παρασωματίδια που δεν έχουν ανακαλυφθεί ακόμα.
Σε μια άλλη μελέτη που δημοσιεύτηκε στα τέλη του περασμένου έτους στο περιοδικό Science [Realization of one-dimensional anyons with arbitrary statistical phase], οι φυσικοί παρουσίασαν πειραματικά για πρώτη φορά την ύπαρξη ενός διαφορετικού είδους σωματιδίου που δεν είναι ούτε μποζόνιο ούτε φερμιόνιο – το «‘anyon (ενυόνιο)’» – σε ένα εικονικό μονοδιάστατο σύμπαν. Τα ενυόνια (anyons) παλαιότερα είχαν δημιουργηθεί μόνο σε δισδιάστατα συστήματα.
Εξαιτίας της ασυνήθιστης συμπεριφοράς τους, τόσο τα παρασωματίδια όσο και τα ενυόνια θα μπορούσαν κάποια μέρα να παίξουν ρόλο στο να γίνουν οι κβαντικοί υπολογιστές λιγότερο επιρρεπείς σε σφάλματα.
Την εποχή που οι φυσικοί άρχισαν να κατανοούν τη δομή των ατόμων, πριν από έναν αιώνα, ο αυστριακής καταγωγής θεωρητικός Wolfgang Pauli είχε προτείνει μια «απαγορευτική αρχή», την ιδέα ότι ποτέ δυο ηλεκτρόνια με τους ίδιους κβαντικούς αριθμούς δεν θα μπορούσαν να καταλάβουν την ίδια ακριβώς κατάσταση – και ότι όταν δύο τέτοια ηλεκτρόνια ωθούνται κοντά το ένα στο άλλο αναδύεται μεταξύ τους μια απωστική δύναμη. Η «απαγορευτική αρχή του Pauli» καθορίζει τον τρόπο με τον οποίο κατανέμονται τα ηλεκτρόνια γύρω από έναν ατομικό πυρήνα.
Ο Pauli και άλλοι φυσικοί σύντομα συνειδητοποίησαν ότι αυτή η εμπειρική απαγορευτική αρχή δεν ισχύει μόνο για τα ηλεκτρόνια αλλά για μια ευρύτερη κατηγορία σωματιδίων, συμπεριλαμβανομένων των πρωτονίων και των νετρονίων. Αυτά τα σωματίδια ονομάστηκαν φερμιόνια. Αντίθετα, τα σωματίδια που δεν υπακούν στην απαγορευτική αρχή του Pauli μπορούν να συνυπάρξουν στην ίδια κβαντική κατάσταση, – τέτοια είναι π.χ. τα φωτόνια σε μια δέσμη λέιζερ – και είναι γνωστά ως μποζόνια. Ο Pauli και οι συνεργάτες του διαπίστωσαν επίσης ότι η συμπεριφορά ενός σωματιδίου ως φερμιόνιο ή μποζόνιο σχετιζόταν με το «σπιν» του σωματιδίου. Τα μποζόνια διαθέτουν ακέραιο σπιν (s=0, 1, 2,…) και ακολουθούν την στατιστική Bose-Einstein, ενώ τα φερμόνια έχουν ημιακέραιο σπιν (s=1/2, 3/2,…) και ακολουθούν την στατιστική Fermi-Dirac.
Μαθηματικά, η θεμελιώδης ιδιότητα των φερμιονίων είναι ότι περιγράφονται από αντισυμμετρικές κυματοσυναρτήσεις, δηλαδή όταν δύο από αυτά εναλλάσουν τις θέσεις τους η κυματοσυνάρτηση που τα περιγράφει αλλάζει πρόσημο, δηλαδή πολλαπλασιάζεται με –1. Αντίστοιχα, τα μποζόνια περιγράφονται από συμμετρικές κυματοσυναρτήσεις, δηλαδή όταν δύο μποζόνια εναλλάσονται μεταξύ τους η κυματοσυνάρτηση παραμένει αναλλοίωτη. Οι πρώτοι κβαντικοί φυσικοί γνώριζαν ότι κατ’ αρχήν, θα μπορούσαν να υπάρχουν άλλα είδη σωματιδίων των οποίων οι κυματοσυναρτήσεις θα άλλαζαν με πιο περίπλοκους τρόπους όταν δύο από αυτά θα εναλλάσσονταν. Στη δεκαετία του 1970, οι ερευνητές ανακάλυψαν τα ενυόνια (anyons), τα οποία μπορούν να υπάρχουν μόνο σε σύμπαντα με μία ή δύο διαστάσεις.
Οι φυσικοί Zhiyuan Wang, από το Ινστιτούτο Max Planck και ο Kaden Hazzard από το Πανεπιστήμιο Rice στο Χιούστον του Τέξας, κατασκεύασαν ένα μοντέλο για παρασωματίδια που μπορούν να υπάρχουν σε οποιοδήποτε αριθμό διαστάσεων – και με ιδιότητες που είναι διαφορετικές των φερμιονίων ή των μποζονίων. Αυτά τα παρασωματίδια υπακούουν στον δικό τους τύπο απαγορευτικής αρχής Pauli. Ο Wang ανακάλυψε τους εξωτικούς κανόνες ανταλλαγής τυχαία το 2021, ενώ έκανε το διδακτορικό του. Σύμφωνα με τον ίδιο: «αν και δύσκολο, μάλλον είναι δυνατόν να πραγματοποιηθούν αυτές οι παρασωματιδιακές καταστάσεις σε έναν κβαντικό υπολογιστή».
Τα παρασωματίδια έχουν μια κοινή ιδιότητα με τα φερμιόνια: η εναλλαγή δύο σωματιδίων και στη συνέχεια ακόμη μία εναλλαγή τους τα επαναφέρει πίσω στην αρχική τους κατάσταση. Τα ενυόνια γενικά έχουν διαφορετική κβαντική κατάσταση ακόμα και μετά την επαναφορά τους στην αρχική τους θέση, επομένως δεν ταξινομούνται ως παρασωματίδια.
Επειδή οι κυματοσυναρτήσεις των anyons «θυμούνται» πώς ανταλλάχθηκαν δύο από αυτά, θα μπορούσαν να παρέχουν έναν στιβαρό τρόπο κωδικοποίησης πληροφοριών. Αυτή η ιδιότητα της μνήμης έχει ήδη αξιοποιηθεί σε εικονικά δισδιάστατα ενυονίων (anyons) που έχουν δημιουργηθεί από τους φυσικούς της Google και άλλων ομάδων . Σύμφωνα με τον Wang: Τα παρασωματίδια είναι απίθανο να είναι τόσο αποτελεσματικά όσο τα ενυόνια, αλλά θα μπορούσαν επίσης να είναι χρήσιμα στον κβαντικό υπολογισμό, λέει ο Wang. Περιέργως, μπορούν να υπάρχουν σε τρεις διαστάσεις. Θεωρητικά, ορισμένα στοιχειώδη σωματίδια που δεν έχουν ανακαλυφθεί ακόμα θα μπορούσαν να είναι παρασωματίδια.
διαβάστε περισσότερες λεπτομέρειες στο άρθρο του Nature με τίτλο: Physicists describe exotic ‘paraparticles’ that defy categorization – www.nature.com/articles/d41586-025-00030-5
Κατηγορίες:ΣΤΟΙΧΕΙΩΔΗ ΣΩΜΑΤΙΑ
physicsgg 
Σχολιάστε