Fizyka kwantowa nie przestaje zaskakiwać. Nowe cząstki i nowe teorie

Rewolucja w zrozumieniu cząstek elementarnych

Za radykalną zmianę naszego postrzegania fizyki kwantowej odpowiadają naukowcy z Uniwersytetu Rice w Teksasie. Odkryli oni, że oprócz znanych nam cząstek elementarnych istnieją także nowe cząstki, które nazwali paracząstkami. Dotychczas uważano, że materię tworzą wyłącznie bozony i fermiony. Bozony to cząstki, które „lubią współdziałać” i mogą zajmować ten sam stan kwantowy w tym samym miejscu, jak na przykład fotony czy gluony. Fermiony natomiast „nie dzielą przestrzeni” – nie mogą znajdować się w tym samym stanie kwantowym jednocześnie. Przykładami fermionów są elektrony, protony i neutrony. Do tej pory taki podział wydawał się niepodważalny.

„To zachowanie jest odpowiedzialne za całą strukturę układu okresowego. To również powód, dla którego nie przenikasz po prostu przez krzesło, gdy siadasz” – wyjaśnił Kaden Hazzard, główny autor badania.

Badania fizyków z Uniwersytetu Rice poddały w wątpliwość ten dotychczasowy porządek. Ich analiza, opublikowana w czasopiśmie Nature, postawiła ramy dla hipotezy mówiącej o istnieniu paracząstek. Elementy te wcześniej były uznawane za niemożliwe, ponieważ podważały tradycyjną klasyfikację cząstek elementarnych w fizyce kwantowej.

„Ustaliliśmy, że możliwe są nowe typy cząstek, o których nigdy wcześniej nie wiedzieliśmy” – powiedział Hazzard, profesor nadzwyczajny fizyki i astronomii, współautor pracy.

Polecamy: Loty w kosmos i ich skutki zdrowotne. Tak wpływają na mózg

Matematyka i magnesy. Fizyka kwantowa i nowe cząstki

Hazzard i Wang podjęli się rozwiązania fascynującej zagadki. Czy paracząstki mogą naprawdę istnieć i jednocześnie nie łamać żadnych znanych zasad fizyki? Postanowili to sprawdzić i wzięli się do pracy. Naukowcy skupili się na tak zwanych wzbudzeniach. Są to zjawiska, w których układ fizyczny (na przykład magnes) osiąga wyższą energię niż ma pierwotnie. Jest to podstawowy mechanizm, dzięki któremu można badać i opisywać dynamikę oraz właściwości danego układu. Dzięki temu naukowcy mogli zbadać, jak paracząstki mogą pojawiać się w przyrodzie.

Hazzard i Wang sięgnęli po narzędzia matematyczne, takie jak algebra Liego czy diagramy sieci tensorowych, żeby poradzić sobie z trudnymi równaniami. Dzięki temu stworzyli modele materii skondensowanej, w których mogą pojawiać się paracząstki. Wykazali, że te cząstki zachowują się zupełnie inaczej niż znane nam fermiony i bozony. Gdy zamieniają się miejscami, ich wewnętrzne właściwości w zaskakujący sposób ulegają przekształceniu, niemal jak w tańcu.

Co dalej z paracząstkami?

Omawiane odkrycie jest dopiero pierwszym krokiem w zrozumieniu nowych zjawisk kwantowych. Teraz przyszła pora na eksperymenty, które mogłyby wykryć paracząstki we wzbudzeniach układów materii skondensowanej.

Ten artykuł także Cię zainteresuje: Kształt elektronów zmierzony po raz pierwszy. To przełom w fizyce

„Aby wykazać istnienie paracząstek w eksperymentach [empirycznych – przyp. red.], potrzebujemy bardziej realistycznych propozycji teoretycznych” – powiedział Zhiyuan Wang, który wraz Hazzardem prowadził wyliczenia.

Odkrycie nowych cząstek i ich niezwykłych właściwości w materii może doprowadzić do rewolucji w informatyce kwantowej. Wyobraź sobie tajne wiadomości przesyłane przez manipulowanie „sekretnymi” stanami tych cząstek – to jakby tworzyć szyfry nie do złamania.

Przeczytaj także ten artykuł: Reaktor termojądrowy coraz bliżej. Francja bije rekord

Trzeba jednak pamiętać, że potencjalne zastosowania zjawiska występowania paracząstek to pieśń przyszłości. Nie wiadomo, dokąd doprowadzą dalsze eksperymenty i odkrycia w tym zakresie. Przyszłe badania skupią się na zgłębianiu nowych teorii i dokładniejszym obserwowaniu paracząstek w różnych materiałach, w tym w układach materii skondensowanej. To jak odkrywanie nowych zakamarków świata cząstek, które mogą skrywać kolejne niespodzianki.

„Nie wiem, dokąd to doprowadzi, ale wiem, że perspektywa kolejnych odkryć jest fascynująca” – podsumował Hazzard.

Polecamy: Fizycy budują największą maszynę w historii. To dopiero początek