’Paraparticles’ skulle vara ett tredje rike av kvantpartikel
På en lugn pandemimeftermiddag 2021 löll Zhiyuan Wang, då en doktorand vid Rice University, hans tristess genom att arbeta med ett konstigt matematiskt problem. Efter att han hittade en exotisk lösning började han undra om matematiken kunde tolkas fysiskt. Så småningom insåg han att det tycktes beskriva en ny typ av partikel: en som varken är en materiepartikel eller en kraftbärande partikel. Det verkade vara något annat helt.
Wang var angelägen om att utveckla den oavsiktliga upptäckten till en fullständig teori om denna tredje typ av partikel. Han förde idén till Kaden Hazzard, hans akademiska rådgivare.
”Jag sa, jag är inte säker på att jag tror att detta kan vara sant,” erinrade Hazzard, ”men om du verkligen tror att det är det, borde du lägga all din tid på detta och släppa allt annat du arbetar med.”
I januari publicerade Wang, nu en postdoktorell forskare vid Max Planck Institute of Quantum Optics i Tyskland, och Hazzard publicerade sitt förfinade resultat i tidskriften Natur. De säger att en tredje klass partiklar, kallade parapartiklar, verkligen kan existera och att dessa partiklar kan producera konstiga nya material.
När uppsatsen dök upp, strider Markus Müller, en fysiker vid Institute for Quantum Optics and Quantum Information i Wien, med tanken på parapartiklar av ett annat skäl. Enligt kvantmekanik kan ett objekt eller observatör vara på flera platser på en gång. Müller tänkte på hur du på papper kan växla mellan observatörernas perspektiv i dessa samexisterande ”grenar” av verkligheten. Han insåg att detta kom med nya begränsningar för möjligheten till parapartiklar, och hans team beskrev sina resultat i ett förtryck i februari som nu är under översyn för publicering i en tidskrift.
Den nära tidpunkten för de två tidningarna var en slump. Men tillsammans öppnar arbetet fallet med ett fysikmysterium som tros lösas för decennier sedan. En grundläggande fråga omvärderas: vilka typer av partiklar tillåter vår värld?
Släkt: I en första, fysiker fläckar svårfångade ”friled” atomer-bekräftar en sekel gammal teori om kvantmekanik
Dolda världar
Alla kända elementära partiklar faller in i en av två kategorier, och de två uppför sig nästan som motsatser. Det finns partiklarna som utgör materia, kallade fermioner, och partiklarna som ger de grundläggande krafterna, kallade bosoner.
Det definierande kännetecknet för fermioner är att om du byter position för två fermioner får deras kvanttillstånd ett minustecken. Närvaron av det mäktiga minusskylten har enorma konsekvenser. Det betyder att inga två fermioner kan vara på samma plats samtidigt. När de packas ihop kan fermioner inte komprimeras förbi en viss punkt. Denna funktion förhindrar att materien kollapsar in på sig själv – det är därför elektronerna i varje atom finns i ”skal”. Utan detta minustecken kunde vi inte existera.
Bosoner har ingen sådan begränsning. Grupper av bosoner kommer gärna att göra exakt samma sak. Varje antal partiklar av ljus kan till exempel vara på samma plats. Det är detta som gör det möjligt att bygga lasrar, som avger många identiska ljuspartiklar. Denna förmåga kommer till det faktum att när två boser byter platser, förblir deras kvanttillstånd densamma.
Det är inte uppenbart att fermioner och bosoner bör vara de enda två alternativen.
Det beror delvis på ett grundläggande inslag i kvantteorin: För att beräkna sannolikheten för att mäta en partikel i ett visst tillstånd måste du ta den matematiska beskrivningen av det tillståndet och multiplicera den i sig själv. Denna procedur kan radera skillnader. Ett minustecken, till exempel, försvinner. Om det ges nummer 4, a Fara! Tävlande skulle inte ha något sätt att veta om frågan var ”Vad är 2 kvadrat?” eller ”Vad är negativt 2 kvadrat?” – Båda möjligheterna är matematiskt giltiga.
Det är på grund av den här funktionen att fermioner, trots att de får ett minustecken när det byts runt, alla ser lika ut när de mäts – minustecknet försvinner när kvanttillstånd är kvadrat. Denna oskiljbarhet är en avgörande egenskap hos elementära partiklar; Inget experiment kan skilja på två av ett slag.
Men ett minustecken kanske inte är det enda som försvinner. I teorin kan kvantpartiklar också ha dolda inre tillstånd, matematiska strukturer som inte ses i direkta mätningar, som också försvinner när de är kvadratiska. En tredje, mer allmän kategori av partikel, känd som en parapartikel, kan uppstå från detta inre tillstånd som förändras på ett stort antal sätt medan partiklarna byter placering.
Medan kvantteorin verkar tillåta det, har fysiker haft svårt att hitta en matematisk beskrivning av en parapartikel som fungerar. På 1950 -talet gjorde fysikern Herbert Green några försök, men ytterligare inspektion avslöjade att dessa parapartikelmodeller egentligen bara var matematiska kombinationer av typiska bosoner och fermioner.
På 1970 -talet verkade mysteriet om varför ingen kunde hitta en riktig modell av parapartiklar vara löst. En samling teorier som kallas DHR -teori, efter de matematiska fysikerna Sergio Doplicher, Rudolf Haag och John Roberts, bevisade att om vissa antaganden är sanna, är bara bosoner och fermioner fysiskt möjliga. Ett antagande är ”lokalitet”, regeln om att objekt bara kan påverkas av saker i deras närhet. (”Om jag pekar mitt bord, bör jag inte påverka månen omedelbart,” som Hazzard uttryckte det.) DHR-beviset antog också att utrymmet (åtminstone) tredimensionellt.
Resultaten avskräckte nya satsningar i parapartiklar i årtionden, med ett undantag. I början av 1980 -talet kom fysikern Frank Wilczek med en teori om partiklar som kallas någon som inte kan beskrivas som varken bosoner eller fermioner. För att komma runt DHR -teoremerna har någon med en stor fångst: de kan bara existera i två dimensioner.
Fysiker studerar nu i stor utsträckning alla för sin potential inom kvantdatorer. Till och med begränsade till två dimensioner kunde de manifestera sig på en plan yta av ett material, eller i en 2D -uppsättning qubits i en kvantdator.
Men parapartiklar i tre dimensioner som kunde bilda ett fast ämne verkade fortfarande omöjligt. Det är fram till nu.
Skiftande sevärdheter
Medan de utvecklade sin modell märkte Wang och Hazzard att antagandena bakom DHR -teorin gick utöver typiska lokalitetsproblem. ”Jag tror att människor övertolkade vilka begränsningar eller begränsningar som faktiskt infördes av dessa teorier,” sade Hazzard. Paraparticles, insåg de, kan vara teoretiskt möjliga trots allt.
I deras modell, utöver de vanliga egenskaperna hos en partikel som laddning och snurr, delar grupper av parapartiklar extra dolda egenskaper. Liksom med minustecknet som blir kvadratiskt under en mätning, kan du inte direkt mäta dessa dolda egenskaper, men de ändrar hur partiklarna beter sig.
När du byter två parapartiklar förändras dessa dolda egenskaper i tandem. Som en analogi, föreställ dig att dessa egenskaper är färger. Börja med två parapartiklar, en som är internt röd och en annan som är internt blå. När de byter platser, snarare än att hålla dessa färger, förändras de båda på motsvarande sätt, som föreskrivs i matematiken i den specifika modellen. Kanske lämnar bytet dem gröna och gula. Detta förvandlas snabbt till ett komplext spel, där parapartiklar påverkar varandra på osynliga sätt när de rör sig runt.
Samtidigt var Müller också upptagen med att tänka om DHR -teoremerna. ”Det är inte alltid super transparent vad de menar, eftersom det är i en mycket komplicerad matematisk ram,” sade han.
Hans team tog en ny inställning till Paraparticle -frågan. Forskarna övervägde det faktum att kvantsystem kan existera i flera möjliga tillstånd på en gång – vad som kallas en superposition. De föreställde sig att växla mellan perspektiv från observatörer som finns i dessa överlagrade stater, som var och en beskriver sin verklighetsgren något annorlunda. Om två partiklar verkligen är oskiljbara, tänkte de, så spelar det ingen roll om partiklarna byts ut i en gren av superpositionen och inte i den andra.
”Kanske om partiklarna är i närheten, byter jag dem, men om de är långt borta gör jag ingenting,” sa Müller. ”Och om de är i en superposition av båda, så byter jag i en gren och ingenting i den andra grenen.” Huruvida observatörer över grenar märker de två partiklarna på samma sätt bör inte göra någon skillnad.
Denna strängare definition av oskiljbarhet i samband med superpositioner innebär nya begränsningar för de typer av partiklar som kan existera. När dessa antaganden håller, fann forskarna att parapartiklar är omöjliga. För att en partikel ska vara verkligen oskiljbar genom mätning, som fysiker förväntar sig att elementära partiklar ska vara, måste det vara antingen en boson eller fermion.
Även om Wang och Hazzard publicerade sitt papper först, är det som om de såg Müllers begränsningar komma. Deras parapartiklar är möjliga eftersom deras modell avvisar Müllers startantagande: partiklarna är inte oskiljbara i full mening som krävs i samband med kvantsuperpositioner. Detta kommer med en konsekvens. Medan byte av två parapartiklar inte har någon effekt på en persons mätningar, kan två observatörer, genom att dela sina data med varandra, avgöra om parapartiklarna har bytts ut. Det beror på att byte av parapartiklar kan ändra hur två människors mätningar relaterar till varandra. I detta avseende kunde de skilja de två parapartiklarna från varandra.
Detta innebär att det finns en potential för nya tillstånd av materia. Där bosoner kan packa ett oändligt antal partiklar i samma tillstånd, och fermioner inte kan dela ett tillstånd alls, hamnar parapartiklar någonstans i mitten. De kan packa bara några partiklar i samma tillstånd innan de blir trånga och tvingar andra till nya stater. Exakt hur många som kan klämmas ihop beror på detaljerna i parapartikeln – det teoretiska ramverket möjliggör oändliga alternativ.
”Jag tycker att deras papper är riktigt fascinerande, och det finns absolut ingen motsägelse med vad vi gör,” sa Müller.
Vägen till verklighet
Om parapartiklar finns, kommer de troligtvis att vara framväxande partiklar, kallade kvasipartiklar, som dyker upp som energiska vibrationer i vissa kvantmaterial.
”Vi kan få nya modeller av exotiska faser, som var svåra att förstå tidigare, att du nu kan lösa enkelt med parapartiklar,” sa Meng Cheng, en fysiker vid Yale University som inte var involverad i forskningen.
Bryce Gadway, en experimentell fysiker vid Pennsylvania State University som ibland samarbetar med Hazzard, är optimistisk för att parapartiklar kommer att realiseras i labbet under de närmaste åren. Dessa experiment skulle använda Rydberg -atomer, som är energiska atomer med elektroner som strövar mycket långt från deras kärnor. Denna separering av den positiva och negativa laddningen gör Rydberg -atomer särskilt känsliga för elektriska fält. Du kan bygga kvantdatorer ur interagerande Rydberg -atomer. De är också de perfekta kandidaterna för att skapa parapartiklar.
”För en viss typ av Rydberg Quantum Simulator är detta typ av precis vad de skulle göra naturligt,” sade Gadway om att skapa parapartiklar. ”Du förbereder dem bara och ser dem utvecklas.”
Men för tillfället förblir det tredje riket av partiklar helt teoretiskt.
”Parapartiklar kan bli viktiga”, sa Wilczek, Nobelprisvinnande fysiker och uppfinnare av någon. ”Men för närvarande är de i princip en teoretisk nyfikenhet.”
Originalhistoria omtryckt med tillstånd från Quanta Magazineen redaktionellt oberoende publikation som stöds av Simonsfoundation.
