Új matematikai eredmények szerint létezhet egy "lehetetlen" harmadik típusú részecske

A kvantummechanika, a modern fizika alapköve, hosszú ideje két alapvető kategóriába sorolja a részecskéket: fermionokra és bozonokra. A ferm...

A kvantummechanika, a modern fizika alapköve, hosszú ideje két alapvető kategóriába sorolja a részecskéket: fermionokra és bozonokra. A fermionok, például az elektronok és kvarkok, az anyag építőelemei, míg a bozonok, mint a fotonok és gluonok, az erők és kölcsönhatások közvetítői. Ezek a besorolások kiállták az idő próbáját, megmagyarázva mindent a periódusos rendszertől kezdve a természet alapvető erőiig.

A Rice Egyetem fizikusai azonban egy izgalmas lehetőséget vetettek fel: egy harmadik részecsketípust, amelyet parapartikulumoknak neveznek. Ez a forradalmi ötlet, amelyet Kaden Hazzard és Zhiyuan Wang dolgozott ki, arra utal, hogy újfajta részecskék létezhetnek anélkül, hogy megsértenék a jelenlegi fizikai törvényeket. (1)

"Rájöttünk, hogy olyan új típusú részecskék létezhetnek, amelyeket eddig nem ismertünk," - mondja Hazzard. A kutatók egy matematikai keretrendszert dolgoztak ki, amely bemutatja, hogy bizonyos feltételek mellett a fermionokon és bozonokon túlmutató részecskék is megjelenhetnek az univerzumban.

Mik azok a fermionok és bozonok?

A fermionok olyan részecskék, amelyeket a Pauli-féle kizárási elv szabályoz, amely megakadályozza, hogy ugyanazt a kvantumállapotot elfoglalják. Ez az elv magyarázza, hogy az elektronok miért rendeződnek különálló energiaszintekre az atomokban, létrehozva a periódusos rendszer alapját. Ez felelős az anyag szilárdságáért is: "Ez az oka annak, hogy nem esünk át a széken, amikor leülünk," - magyarázza Hazzard.

Ezzel szemben a bozonok nem követik ezt a korlátozást. Képesek ugyanazt a kvantumállapotot elfoglalni, ami lehetővé teszi számukra, hogy akadálytalanul áthaladjanak egymáson. Ez a tulajdonság teszi a bozonokat ideális erőközvetítőkké, lehetővé téve azokat a kölcsönhatásokat, amelyek a világegyetemet minden léptékben formálják, az elemi részecskéktől a galaxisokig.

Az anionok kivétele

Bár a fermionok és bozonok közötti megosztottság szigorúnak tűnik, létezik egy kivétel: az anionok. Ezek a részecskék kétdimenziós rendszerekben jelennek meg, ahol olyan viselkedést mutatnak, amely eltér a fermionokat és bozonokat szabályozó statisztikai szabályoktól.

Az anionok egyfajta kvantum "kiskapu"-ként működnek, amelyek olyan kvantumállapotokat cserélnek ki, amelyek nem illeszkednek a hagyományos osztályozásokba. Azonban létezésük a kétdimenziós anyagokra korlátozódik, és nem terjedhet ki a háromdimenziós univerzumra, amelyben élünk. Így az anionok inkább a kvantumfizika furcsa lábjegyzetének tekinthetők, semmint alapvető felfedezésnek.

A parapartikulumok megjelenése

A parapartikulumok ötlete a parastatisztika nevű elméleti területből származik, amely a fermionokon és bozonokon túlmutató matematikai modelleket vizsgál. Bár a parastatisztika a 20. század közepén indult útjára, eddig nem sikerült olyasmit találnia, ami valóban meghaladná a meglévő kvantumkeretrendszert.

Wang és Hazzard munkája új életet lehel ebbe a területbe. Egy új kvantálási megközelítést bevezetve - amely alapvető folyamat a kvantummechanikában - kimutatták, hogy az anyagok kollektív viselkedése részecskéket hozhat létre, amelyek hasonlítanak az anionokra, még háromdimenziós térben is.

Ez az áttörés megkérdőjelezi azt a régóta fennálló meggyőződést, hogy csak fermionok és bozonok létezhetnek. Bár a parapartikulumok fogalma még mindig elméleti, megnyitja az utat a részecskefizika új területeinek feltárása előtt.

"Ahhoz, hogy a parapartikulumokat kísérletileg megvalósítsuk, reálisabb elméleti javaslatokra van szükségünk," - mondja Wang. Ennek ellenére ez a matematikai fejlemény hangsúlyozza, milyen fontos nyitottnak maradni az ismeretlen iránt.

Hatások a Standard Modellre

A részecskefizika Standard Modellje rendkívül sikeres keretet biztosít az ismert részecskék és erők leírására az univerzumban. Azonban jelentős hiányosságai vannak. Nem tartalmazza például a gravitációt, ezért képtelen magyarázni az általános relativitást. Nem nyújt betekintést a sötét anyagba vagy a sötét energiába sem, amelyek együtt az univerzum tömeg-energia tartalmának körülbelül 95%-át teszik ki.

A parapartikulumok lehetősége arra utal, hogy a Standard Modellen túlmutató új fizika létezhet. Még ha a parapartikulumok csak elméletiek is maradnak, matematikai érvényességük kiemeli a felfedezetlen jelenségek potenciálját, amelyek átalakíthatják a világegyetemről alkotott megértésünket.

Egy új fejezet a kvantumfizikában?

A parapartikulumok felfedezése nem csupán a fizika új fejezete lenne, hanem egy teljesen új könyv. Bár a jelenlegi kutatás még nem mutatott be valódi utat ezekhez a részecskékhez, hangsúlyozza az elméleti feltárás értékét.

Ahogy Wang és Hazzard kutatása, amelyet a Nature közölt, illusztrálja, az univerzum meglepetéseket tartogathat, amelyek megkérdőjelezik még a legmegalapozottabb feltételezéseinket is. A parapartikulumok keresése emlékeztet arra, hogy a tudomány az elképzelés és a szigor kölcsönhatásából él - az elképzelhető kutatása egy végtelen lehetőségekkel teli kozmoszban. (2)

(1) - https://www.nature.com/articles/
(2) - https://www.sciencealert.com/ne