Новое научное исследование предполагает существование парачастиц — гипотетического третьего класса квантовых объектов
В 2021 году, во время карантинных ограничений, Чжиюань Ван, тогда еще аспирант Университета Райса, пытался отвлечься от рутины решением нетривиальной математической задачи. Полученный им неожиданный результат навел его на мысль: не описывают ли эти формулы физическую реальность, а именно — неизвестный ранее тип частиц, которые не относятся ни к материи, ни к переносчикам взаимодействий?
Ван загорелся идеей оформить свои наработки в полноценную теорию о третьем классе частиц. Он обратился за консультацией к своему научному руководителю Кадену Хаззарду.
«Я сомневался в возможности такого открытия, — вспоминает Хаззард, — но посоветовал ему отложить остальные дела и целиком сосредоточиться на этой гипотезе».
Результатом этой работы стала публикация в журнале Nature в январе текущего года, написанная Ваном (ныне постдокторантом Института квантовой оптики им. Макса Планка) в соавторстве с Хаззардом. Ученые обосновывают существование «парачастиц» и указывают на их потенциал для создания материалов с принципиально новыми свойствами.
Параллельно эту тему исследовал Маркус Мюллер из Венского института квантовой оптики. Его интерес был продиктован вопросами квантовой механики о природе наблюдателя и сосуществовании различных «ветвей» реальности. В феврале его группа выпустила препринт, в котором парачастицы анализировались через призму ограничений, накладываемых на квантовое состояние наблюдателей.
Хотя появление этих двух работ практически совпало по времени, они в совокупности заставляют пересмотреть устоявшиеся десятилетиями представления о том, какие частицы вообще допустимы в нашей Вселенной.
За пределами привычной классификации
Традиционно все элементарные частицы делятся на две категории: фермионы (составляющие вещество) и бозоны (переносчики взаимодействий). Это практически полярные противоположности.
Ключевое отличие фермионов заключается в смене знака квантового состояния при перестановке двух частиц. Из-за этого «минуса» два фермиона не могут занимать одну и ту же позицию. Именно это свойство, известное как принцип Паули, предотвращает коллапс материи и формирует электронные оболочки атомов. Без этого фундаментального запрета наш мир был бы совсем иным.
Бозоны, напротив, могут беспрепятственно скапливаться в одной точке, что лежит в основе работы лазеров. При их перестановке квантовое состояние остается прежним.
Математически вероятность обнаружения частицы вычисляется через квадрат квантового состояния, из-за чего фазовые различия часто «исчезают». Это порождает проблему неразличимости частиц в экспериментах. Однако некоторые физики задаются вопросом: существуют ли скрытые внутренние состояния, которые также маскируются при таких вычислениях? Именно такими объектами и могут оказаться парачастицы.
В 70-х годах теоремы DHR (Допличера, Хаага и Робертса) казались окончательным вердиктом: при стандартных допущениях локальности и трехмерности пространства возможны только фермионы и бозоны. Единственным исключением стали анионы, но они ограничены двумя измерениями, что затрудняет их применение в макромире.
Пересмотр догм
Ван и Хаззард поставили под сомнение жесткость допущений, заложенных в теоремы DHR. В их представлении парачастицы обладают «скрытыми свойствами», которые синхронно меняются при перестановке частиц, подобно неким цветовым кодам, влияющим на их поведение в пространстве.
В свою очередь, команда Мюллера подошла к проблеме через призму суперпозиции. Они доказали, что если требовать от частиц строгой неразличимости в квантовых системах, то альтернатив фермионам и бозонам не остается. Однако модель Вана и Хаззарда выживает именно потому, что они отказываются от полной «неразличимости» в пользу более гибкой математической модели: если наблюдатели обменяются данными, они смогут зафиксировать сам факт перестановки парачастиц.
Это дает надежду на существование материи с «промежуточными» свойствами, где частицы могут объединяться в группы ограниченного размера, прежде чем плотность станет критической. Количество таких допустимых частиц в одном состоянии — предмет для дальнейших теоретических изысканий.
Перспективы и лабораторная проверка
Если парачастицы реальны, то искать их нужно как квазичастицы — коллективные возбуждения в экзотических квантовых материалах. Физики, такие как Брайс Гадвей, считают, что использование ридберговских атомов — возбужденных атомов с разнесенными зарядами — может стать ключом к созданию таких частиц в лабораторных условиях в ближайшие годы.
Несмотря на скепсис некоторых экспертов, называющих эту концепцию «теоретической диковинкой», нельзя отрицать, что парачастицы открывают дверь в новую область физики состояний вещества, где старые правила могут быть переписаны.
