Физиците са доказали съществуването на аниони - третото царство на частиците

2020 г. ще бъде запомнена от света не само като година,който счупи всички мислими и немислими температурни рекорди, но също и като период от човешката история, през който беше доказано съществуването на третото царство на частиците, наречени „аниони“, които съществуват едновременно в две измерения. Като цяло, говорейки за физиката на частиците, трябва да се отбележи, че доскоро имаше само две категории или царства - бозони и фермиони. Критерият за разделяне на елементарните частици на два лагера е стойността на спина, квантовото число, което характеризира правилния ъглов момент на частицата. С други думи, ако спинът на единична частица се определя от цяло число, имате бозон пред себе си, а ако половин цяло число - фермион. Тази година изследователите откриха първите признаци за съществуването на трето царство от частици - аниони, чието поведение не е подобно на това нито на бозоните, нито на фермионите. Ще ви разкажем какво представляват анионите и защо тяхното откриване е от голямо значение за съвременната физика.

Законите на квантовата механика описват поведението на елементарните частици.

Какво представляват "анионите"?

Всяка последна частица във Вселената е откосмически лъчи към кварки - е или фермион, или бозон. Тези категории разделят градивните елементи на Вселената на две различни царства. През изходящата 2020 г. изследователите откриха първите признаци за съществуването на трето царство на частиците - аниони. Чудя се какво анионите не се държат като фермиони или бозони; вместо това поведението им пада някъде между тях.

В статия, публикувана през лятото на 2020 г. презВ списание Science физиците откриха първите експериментални доказателства, че тези частици не се вписват в нито едно от царствата, познати на физиците. „Преди имахме бозони и фермиони, но сега имаме това трето царство на частиците“, каза Франк Уилчек, носител на Нобелова награда за физика в Масачузетския технологичен институт, пред списание Quanta.

Тъй като законите на квантовата механика описватповедението на елементарните частици е много различно от известните закони на класическата физика, доста е трудно да ги разберем. За целта изследователите предлагат да си представят ... модел на бримки. Това е така, защото когато анионите са преплетени, един от тях, като че ли, се "увива" около другия, променяйки квантовите състояния.

В хода на научните изследвания учените са доказали, че анионите принадлежат към отделен клас елементарни частици.

Прочетете още увлекателни статии за законите на квантовата механика и последните открития в областта на физиката на нашия канал в Yandex.Zen. Редовно се публикуват статии, които не са на сайта.

И така, представете си две неразличими частици,подобно на електроните. Вземете едното и след това го увийте около другото, така че да се върне там, откъдето е започнало. На пръв поглед може да изглежда, че нищо не се е променило. В действителност, в математическия език на квантовата механика, двете вълнови функции, описващи началното и крайното състояние, трябва да са равни или да имат отклонение от една единица. (В квантовата механика изчислявате вероятността за това, което наблюдавате, като квадратирате вълновата функция, така че коефициентът - 1 - да бъде измит.)

Ако вълновите функции на частицата са идентични, тогава предивие бозони. И ако те се отклоняват с 1 фактор, тогава гледате фермиони. И макар че заключението на новото изследване може да изглежда като чисто математическо упражнение, то има сериозни последици за съвременната физика.

Три царства на елементарни частици

Изследователите също така отбелязват, че фермионите саасоциални членове на света на частиците, тъй като те никога не заемат едно и също квантово състояние. Поради това електроните, които принадлежат към класа на фермионите, попадат в различни атомни обвивки около самия атом. От това просто явление възниква по-голямата част от пространството в атома - удивителното разнообразие от периодичната система и цялата химия.

Вижте също: Учените се доближават до разбирането защо Вселената съществува

Бозоните, от друга страна, са стадничастици, които имат щастливата способност да комбинират и споделят едно и също квантово състояние. По този начин фотоните, които са класифицирани като бозони, могат да преминават един през друг, позволявайки на светлинните лъчи да се движат безпрепятствено, вместо да се разпръскват.

Бозонът на Хигс е събитие, произтичащо отсблъсъци между протони в Големия адронен колайдер CERN. При сблъсък в центъра частицата се разпада на два фотона (прекъснати жълти и зелени линии)

Но какво се случва, ако завъртите една квантова частица около друга? Ще се върне ли в първоначалното си квантово състояние? За да разберете дали това ще се случи или не, трябва да се задълбочите в кратък курс. топология - математическо изучаване на форми.Счита се, че две форми са топологично еквивалентни, ако едната може да се трансформира в друга без никакви допълнителни действия (залепване или разделяне). Поничка и халба за кафе, както казва старата поговорка, са топологично еквивалентни, тъй като едната може да бъде гладко и непрекъснато оформена в другата.

Помислете за цикъла, който направихме, когатозавъртя една частица около друга. В три измерения този цикъл може да бъде компресиран до точка. Топологично изглежда, че частицата изобщо не се е движила. Въпреки това, в две измерения, веригата не може да се срути; тя се забива върху друга частица. Това означава, че не можете да компресирате цикъла в процеса. Поради това ограничение - намерено само в две измерения - примката на една частица около друга не е еквивалентна на частицата да е на едно и също място. Да, главата ми се върти. Ето защо физиците се нуждаеха от трети клас частици - аниони. Техните вълнови функции не са ограничени до двете решения, които определят фермиони и бозони, и тези частици не са нито едното, нито другото.

„Топологичният аргумент беше първият знаксъществуването на аниони “, казва един от авторите на научната работа Гуендал Фьов, физик от университета Сорбона в Париж. Когато електроните са ограничени в движение в две измерения, те се охлаждат почти до абсолютна нула, когато са изложени на силно магнитно поле.

Изследователите са построили малък адронен колайдер в лабораторията, за да докажат съществуването на аниони.

В началото на 80-те години физиците за първи път използваттова са условията за наблюдение на "дробния квантов ефект на Хол", при който електроните се обединяват, за да създадат така наречените квазичастици, които имат част от заряда на един електрон. През 1984 г. в основна статия от две страници на Франк Уилчек, Даниел Аровас и Джон Робърт Шрифер беше показано, че тези квазичастици могат да бъдат всичко. Но учените никога не са наблюдавали подобно поведение на квазичастици, което означава, че не биха могли да докажат, че анионите не са подобни нито на фермиони, нито на бозони.

Това е интересно: Защо квантовата физика е сходна с магията?

Ето защо новото изследване е революционно -Физикът най-накрая успя да докаже, че анионите се държат като кръстоска между поведението на бозоните и фермионите. Интересното е, че през 2016 г. трима физици описаха експериментална настройка, която прилича на малък адронен колайдер в две измерения. Фев и колегите му построиха нещо подобно за измерване на текущите колебания в колайдера.

Те успяха да покажат, че поведението на анионите вточността съвпада с теоретичните прогнози. Като цяло авторите на научната работа се надяват, че заплетените аниони могат да играят важна роля в създаването на квантови компютри. За повече информация какво е квантовият компютър и как работи, прочетете материала на моя колега Рамис Ганиев.