Физичари су доказали постојање аниона - трећег царства честица

2020. свет ће памтити не само као годину,који је оборио све замисливе и незамисливе температурне рекорде, али и као период људске историје, током којег је доказано постојање трећег царства честица названих „аниони“, које истовремено постоје у две димензије. Генерално говорећи о физици честица, треба напоменути да су донедавно постојале само две категорије или царства - бозони и фермиони. Критеријум за поделу елементарних честица у два табора је вредност спина, квантни број који карактерише правилан угаони момент честице. Другим речима, ако је спин поједине честице одређен целим бројем, имате бозон испред себе, а ако је полуцео број, фермион. Ове године истраживачи су открили прве знаке постојања трећег царства честица - аниона, чије понашање није слично понашању ни бозона ни фермиона. Рећи ћемо вам шта су аниони и зашто је њихово откриће од велике важности за савремену физику.

Закони квантне механике описују понашање елементарних честица.

Шта су "аниони"?

Свака последња честица у универзуму је изкосмички зраци кварковима - је или фермион или бозон. Ове категорије дијеле градивне дијелове универзума на два различита царства. У одлазећој 2020. години истраживачи су открили прве знаке постојања трећег царства честица - аниона. Питам се шта ањони се не понашају као фермиони или бозони; уместо тога, њихово понашање пада негде између.

У чланку објављеном у лето 2020. годинеУ часопису Сциенце, физичари су открили прве експерименталне доказе да се те честице не уклапају ни у једно царство познато физичарима. „Раније смо имали бозоне и фермионе, али сада имамо ово треће краљевство честица“, рекао је Франк Вилцзек, добитник Нобелове награде за физику на МИТ-у, у интервјуу за магазин Куанта.

Пошто закони квантне механике који описујупонашање елементарних честица се веома разликује од познатих закона класичне физике, прилично је тешко разумети их. Да би то урадили, истраживачи предлажу да замисле ... образац петљи. То је зато што када се аниони преплете, један од њих, као да се, „омота“ око другог, мењајући квантна стања.

Током научног истраживања научници су доказали да аниони припадају засебној класи елементарних честица.

Прочитајте још фасцинантније чланке о законима квантне механике и најновијим открићима у области физике на нашем каналу у Иандек.Зен. Редовно се објављују чланци којих нема на веб локацији.

Дакле, замислите две неразлучиве честице,слично електронима. Узмите један, а затим га омотајте око другог тако да се врати тамо одакле је кренуо. На први поглед може се чинити да се ништа није променило. Заиста, у математичком језику квантне механике, две таласне функције које описују почетно и коначно стање морају бити једнаке или имати одступање од једне јединице. (У квантној механици израчунавате вероватноћу онога што посматрате квадратом таласне функције, тако да се тај коефицијент - 1 - испере.)

Ако су таласне функције честице идентичне, онда преви бозони. А ако одступају за 1 фактор, онда гледате фермионе. И иако се закључак нове студије може чинити као чисто математичка вежба, он има озбиљне импликације на модерну физику.

Три краљевства елементарних честица

Истраживачи такође примећују да су фермиониасоцијални чланови света честица, јер никада не заузимају исто квантно стање. Због тога електрони, који припадају класи фермиона, падају у разне атомске љуске око самог атома. Из овог једноставног феномена произлази већина простора у атому - невероватна разноликост периодног система и све хемије.

Такође погледајте: Научници се ближе разумеју зашто свемир постоји

Бозони су, с друге стране, дружељубивичестице које имају срећну способност да комбинују и деле исто квантно стање. Дакле, фотони, који су класификовани као бозони, могу пролазити једни кроз друге, омогућавајући светлосним зрацима да несметано путују, а не да се распршују.

Хигсов бозон је догађај који произилази изсудари између протона на Великом хадронском сударачу ЦЕРН. Након судара у центру, честица се распада на два фотона (испрекидане жуте и зелене линије)

Али шта се дешава ако једну квантну честицу заокружите око друге? Да ли ће се вратити у првобитно квантно стање? Да бисте разумели да ли ће се то догодити или не, треба да се позабавите кратким курсом. топологија - математичко проучавање облика.Сматра се да су два облика тополошки еквивалентна ако се један може трансформисати у други без икаквих додатних радњи (лепљење или цепање). Крофна и шоља за кафу, како каже стара изрека, тополошки су еквивалентни, јер се једна може глатко и континуирано обликовати у другу.

Размотримо петљу коју смо направили кадаротирао једну честицу око друге. У три димензије, ова петља се може стиснути до тачке. Тополошки изгледа као да се честица уопште није померила. Међутим, у две димензије, петља се не може срушити, она се заглави на другој честици. То значи да у процесу не можете стиснути петљу. Због овог ограничења - које се налази у само две димензије - петља једне честице око друге није еквивалентна томе да се честица налази на истом месту. Да, врти ми се у глави. Због тога је физичарима била потребна трећа класа честица - ањони. Њихове таласне функције нису ограничене на два решења која дефинишу фермионе и бозоне, а ове честице нису ни једно ни друго.

„Тополошки аргумент био је први знакпостојање аниона “, каже један од аутора научног дела Гвендал Феуве, физичар са Универзитета Сорбонне у Паризу. Када су електрони ограничени у кретању у две димензије, они се охладе на скоро апсолутну нулу када су изложени јаком магнетном пољу.

Истраживачи су у лабораторији направили мали хадронски сударач како би доказали постојање аниона.

Почетком 1980-их физичари су први пут користилито су услови за посматрање „фракционог квантног Холовог ефекта“, у коме се електрони удружују како би створили такозване квазичестице, које имају удео наелектрисања једног електрона. 1984. године, револуционарни чланак Франк Вилцзек, Даниел Аровас и Јохн Роберт Сцхриеффер показао је да ове квазичестице могу бити било шта. Али научници никада нису приметили такво понашање квазичестица, што значи да нису могли да докажу да аниони нису слични ни фермионима ни бозонима.

Ово је занимљиво: Зашто је квантна физика слична магији?

Због тога је ново истраживање револуционарно -Физичар је коначно успео да докаже да се аниони понашају као мешавина између понашања бозона и фермиона. Занимљиво је да су 2016. године три физичара описала експерименталну поставку која подсећа на мајушни хадронски сударач у две димензије. Фев и његове колеге направили су нешто слично мерењу тренутних флуктуација у сударачу.

Успели су да покажу да понашање аниона утачност се подудара са теоријским предвиђањима. Генерално, аутори научног рада надају се да испреплетени аниони могу играти важну улогу у стварању квантних рачунара. За више информација о томе шта је квантни рачунар и како он функционише, прочитајте материјал мог колеге Рамиса Ганиева.