«Ορόσημο» για το Anyons, ένα Τρίτο Βασίλειο των Σωματιδίων

Κάθε τελευταίο σωματίδιο στο σύμπαν - από μια κοσμική ακτίνα έως ένα κουάρκ - είναι είτε φερμιόνιο είτε μποζόνιο. Αυτές οι κατηγορίες χωρίζουν τα δομικά στοιχεία της φύσης σε δύο διακριτά βασίλεια. Τώρα οι ερευνητές ανακάλυψαν τα πρώτα παραδείγματα ενός τρίτου βασιλείου σωματιδίων.

Οποιοσδήποτε, όπως είναι γνωστός, δεν συμπεριφέρεται ούτε σαν φερμιόνια ούτε σαν μποζόνια. Αντίθετα, η συμπεριφορά τους είναι κάπου στη μέση. Σε μια πρόσφατη εργασία που δημοσιεύτηκε στο Science , οι φυσικοί βρήκαν τα πρώτα πειραματικά στοιχεία ότι αυτά τα σωματίδια δεν ταιριάζουν σε κανένα βασίλειο. «Είχαμε μποζόνια και φερμιόνια και τώρα έχουμε αυτό το τρίτο βασίλειο», είπε ο Frank Wilczek, βραβευμένος με Νόμπελ φυσικός στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης. "Είναι απολύτως ένα ορόσημο."

Τι είναι ένα Anyon;

Για να κατανοήσετε τα κβαντικά βασίλεια, σκεφτείτε ένα σχέδιο βρόχων. Φανταστείτε δύο δυσδιάκριτα σωματίδια, όπως τα ηλεκτρόνια. Πάρτε το ένα και μετά περιστρέψτε το γύρω από το άλλο ώστε να καταλήξει εκεί που ξεκίνησε. Τίποτα δεν φαίνεται να έχει αλλάξει. Και πράγματι, στη μαθηματική γλώσσα της κβαντομηχανικής, οι δύο κυματοσυναρτήσεις που περιγράφουν την αρχική και την τελική κατάσταση πρέπει να είναι είτε ίσες είτε εκτός κατά συντελεστή −1. (Στην κβαντομηχανική, υπολογίζετε την πιθανότητα αυτού που παρατηρείτε τετραγωνίζοντας αυτήν την κυματική συνάρτηση, οπότε αυτός ο παράγοντας −1 ξεπλένεται.)

Εάν οι κυματικές συναρτήσεις είναι πανομοιότυπες, τα κβαντικά σωματίδια σας είναι μποζόνια. Εάν είναι μακριά κατά συντελεστή −1, έχετε φερμιόνια. Και παρόλο που η εξαγωγή μπορεί να φαίνεται σαν μια καθαρά μαθηματική άσκηση, έχει βαθιές σωματικές συνέπειες.

Τα φερμιόνια είναι τα αντικοινωνικά μέλη του κόσμου των σωματιδίων. Ποτέ δεν καταλαμβάνουν την ίδια κβαντική κατάσταση. Εξαιτίας αυτού, τα ηλεκτρόνια, τα οποία είναι φερμιόνια, ωθούνται στα ποικίλα ατομικά κελύφη γύρω από ένα άτομο. Από αυτό το απλό φαινόμενο προκύπτει το μεγαλύτερο μέρος του χώρου σε ένα άτομο, η εκπληκτική ποικιλία του περιοδικού πίνακα και όλη η χημεία.

Τα μποζόνια, από την άλλη πλευρά, είναι ασυνήθιστα σωματίδια, ευτυχισμένα να συσσωρεύονται μεταξύ τους και να μοιράζονται την ίδια κβαντική κατάσταση. Έτσι τα φωτόνια, τα οποία είναι μποζόνια, μπορούν να περάσουν το ένα μέσα από το άλλο, επιτρέποντας στις ακτίνες του φωτός να ταξιδεύουν ανεμπόδιστα αντί να διασκορπίζονται.

Τι συμβαίνει όμως εάν, όταν κυκλώνετε ένα κβαντικό σωματίδιο γύρω από ένα άλλο, δεν επιστρέψετε στην ίδια κβαντική κατάσταση; Για να κατανοήσουμε αυτή τη δυνατότητα, πρέπει να κάνουμε μια σύντομη παρέκβαση στην τοπολογία, τη μαθηματική μελέτη των σχημάτων. Δύο σχήματα είναι τοπολογικά ισοδύναμα εάν το ένα μπορεί να μετατραπεί στο άλλο χωρίς κόψιμο ή κόλληση. Ένα ντόνατ και μια κούπα καφέ, λέει η παλιά παροιμία, είναι τοπολογικά ισοδύναμα, επειδή το ένα μπορεί να διαμορφωθεί απαλά και συνεχώς στο άλλο.

Σκεφτείτε τον βρόχο που κάναμε όταν περιστρέψαμε το ένα σωματίδιο γύρω από το άλλο. Σε τρεις διαστάσεις, μπορείτε να συρρικνώσετε αυτόν τον βρόχο μέχρι κάτω σε ένα σημείο. Τοπολογικά μιλώντας, είναι σαν το σωματίδιο να μην έχει μετακινηθεί καθόλου.

Σε δύο διαστάσεις, ωστόσο, ο βρόχος δεν μπορεί να συρρικνωθεί. Κολλάει στο άλλο σωματίδιο. Δεν μπορείτε να συρρικνώσετε τον βρόχο χωρίς να τον κόψετε στη διαδικασία. Εξαιτίας αυτού του περιορισμού — που βρίσκεται μόνο σε δύο διαστάσεις — ο κύκλος ενός σωματιδίου γύρω από ένα άλλο δεν ισοδυναμεί με το να αφήσετε το σωματίδιο στην ίδια θέση.

Χρειαζόμαστε μια τρίτη πιθανότητα σωματιδίων:anyons. Δεδομένου ότι οι κυματικές τους συναρτήσεις δεν περιορίζονται στις δύο λύσεις που ορίζουν τα φερμιόνια και τα μποζόνια, αυτά τα σωματίδια είναι ελεύθερα να μην είναι κανένα από τα δύο, αλλά οτιδήποτε ενδιάμεσο. Όταν ο Wilczek επινόησε για πρώτη φορά τον όρο anyon, ήταν μια αυθόρμητη πρόταση ότι όλα πάνε.

Το πείραμα

«Το τοπολογικό επιχείρημα ήταν η πρώτη ένδειξη ότι αυτοί οι οποιοσδήποτε θα μπορούσαν να υπάρχουν», είπε ο Gwendal Fève, φυσικός στο Πανεπιστήμιο της Σορβόννης στο Παρίσι που ηγήθηκε του πρόσφατου πειράματος. "Αυτό που έμεινε να βρεθεί ήταν φυσικά συστήματα."

Όταν τα ηλεκτρόνια περιορίζονται στην κίνηση σε δύο διαστάσεις, ψύχονται σχεδόν στο απόλυτο μηδέν και υποβάλλονται σε ισχυρό μαγνητικό πεδίο, αρχίζουν να συμβαίνουν πολύ περίεργα πράγματα. Στις αρχές της δεκαετίας του 1980, οι φυσικοί χρησιμοποίησαν για πρώτη φορά αυτές τις συνθήκες για να παρατηρήσουν το «κλασματικό κβαντικό φαινόμενο Hall», στο οποίο τα ηλεκτρόνια ενώνονται για να δημιουργήσουν τα λεγόμενα οιονεί σωματίδια που έχουν ένα κλάσμα του φορτίου ενός μόνο ηλεκτρονίου. (Αν φαίνεται περίεργο να ονομάσουμε τη συλλογική συμπεριφορά των ηλεκτρονίων σωματίδιο, σκεφτείτε το πρωτόνιο, το οποίο αποτελείται από τρία κουάρκ.)

Το 1984, μια θεμελιώδης εργασία δύο σελίδων από τους Wilczek, Daniel Arovas και John Robert Schrieffer έδειξε ότι αυτά τα οιονεί σωματίδια έπρεπε να είναι οποιαδήποτε. Αλλά οι επιστήμονες δεν είχαν παρατηρήσει ποτέ συμπεριφορά που να μοιάζει με αυτά τα οιονεί σωματίδια. Δηλαδή, δεν μπόρεσαν να αποδείξουν ότι τα οποιεσδήποτε δεν μοιάζουν με τα φερμιόνια ή τα μποζόνια, ούτε μαζεύονται μεταξύ τους ούτε απωθούν πλήρως το ένα το άλλο.

Αυτό κάνει η νέα μελέτη. Το 2016, τρεις φυσικοί περιέγραψαν μια πειραματική διάταξη που μοιάζει με έναν μικροσκοπικό επιταχυντή σωματιδίων σε δύο διαστάσεις. Ο Fève και οι συνεργάτες του κατασκεύασαν κάτι παρόμοιο και το χρησιμοποίησαν για να συντρίψουν οποιονδήποτε. Μετρώντας τις διακυμάνσεις των ρευμάτων στον επιταχυντή, μπόρεσαν να δείξουν ότι η συμπεριφορά των ανωνίων αντιστοιχεί ακριβώς με τις θεωρητικές προβλέψεις.

«Τα πάντα ταιριάζουν με τη θεωρία τόσο μοναδικά, δεν υπάρχουν ερωτήσεις», είπε ο Ντμίτρι Φέλντμαν, ένας φυσικός στο Πανεπιστήμιο Μπράουν που δεν συμμετείχε στην πρόσφατη εργασία. "Αυτό είναι πολύ ασυνήθιστο για αυτόν τον τομέα, από την εμπειρία μου."

«Υπάρχουν πολλά στοιχεία εδώ και πολύ καιρό», είπε ο Wilczek. «Αλλά αν ρωτήσετε:Υπάρχει κάποιο συγκεκριμένο φαινόμενο στο οποίο μπορείτε να υποδείξετε και να πείτε ότι οι οποιοσδήποτε είναι υπεύθυνος για αυτό το φαινόμενο και δεν μπορείτε να το εξηγήσετε με κανέναν άλλο τρόπο; Νομίζω ότι αυτό είναι σαφώς σε διαφορετικό επίπεδο.”

Αυτό το άρθρο ανατυπώθηκε στις  Wired.com .