Στον τρισδιάστατο χώρο μας, τα στοιχειώδη σωματίδια ταξινομούνται με σαφήνεια είτε ως μποζόνια είτε ως φερμιόνια. Όμως, σε χαμηλότερες διαστάσεις, αυτή η διάκριση γίνεται κάπως θολή.
Στη σωματιδιακή φυσική των τριών διαστάσεων, τα στοιχειώδη σωματίδια χωρίζονται με σαφήνεια σε φερμιόνια και μποζόνια. Όμως, σε χαμηλότερες διαστάσεις, τα πράγματα δεν είναι τόσο ξεκάθαρα.
Το «Τρίτο Βασίλειο» των σωματιδίων
Αυτές οι διαστάσεις φιλοξενούν ένα “τρίτο βασίλειο” οιονεί σωματιδίων (quasiparticles) γνωστών ως ανυόνια (anyons), τα οποία έχουν ιδιότητες που βρίσκονται ανάμεσα στην κβαντική περιγραφή των φερμιονίων και των μποζονίων.
Το 2020, οι επιστήμονες διαπίστωσαν την πειραματική ύπαρξη ενός ανυονίου σε χώρο δύο διαστάσεων, και σε δύο νέες μελέτες, οι επιστήμονες περιγράφουν την ύπαρξη ρυθμιζόμενων ανυονίων σε χώρο μίας διάστασης (καθώς και τις ιδιότητές τους).
Μποζόνια vs Φερμιόνια: Οι κανόνες του τρισδιάστατου κόσμου
Όταν εμβαθύνουμε στην ίδια την υφή της πραγματικότητας —εκεί όπου τα στοιχειώδη σωματίδια αποτελούν την ύλη που συνθέτει εσάς, εμένα και οτιδήποτε γύρω μας στον τρισδιάστατο χώρο— τα πράγματα χωρίζονται τακτικά σε δύο κατηγορίες: Τα φερμιόνια και τα μποζόνια.
Αυτές οι δύο κατηγορίες σωματιδίων ορίζονται κυρίως από το ατομικό τους σπιν (με κβαντομηχανικούς όρους), με τα μποζόνια (φωτόνια, γλουόνια, μποζόνιο Χιγκς, μποζόνια W και Z) να έχουν ακέραιες τιμές σπιν και τα φερμιόνια (πρωτόνια, νετρόνια, ηλεκτρόνια, νετρίνα) να έχουν ημιακέραιες τιμές σπιν.
Ενώ δύο μποζόνια μπορούν να καταλαμβάνουν την ίδια κβαντική κατάσταση (γι’ αυτό και τα φωτόνια μπορούν να περνούν το ένα μέσα από το άλλο), δύο φερμιόνια δεν μπορούν —πράγμα καλό, αφού αν μπορούσαν, θα πέφτατε μέσα από το πάτωμα αυτή τη στιγμή. Αλλά, όπως ισχύει για τα περισσότερα πράγματα στην επιστήμη, τα δεδομένα δεν ευθυγραμμίζονται πάντα τόσο τακτικά.
Για παράδειγμα, εδώ και μισό αιώνα, οι επιστήμονες γνωρίζουν για το ανυόνιο (anyon), το οποίο υπάρχει σε χώρο δύο διαστάσεων.
Από τη θεωρία στην πειραματική επιβεβαίωση
Αυτό το οιονεί σωματίδιο (quasiparticle) είναι ουσιαστικά οτιδήποτε ανάμεσα σε ένα μποζόνιο και ένα φερμιόνιο, γεγονός που εξηγεί γιατί ο Αμερικανός φυσικός Frank Wilczek τα ονόμασε “any-ons” (από το “any” – οποιοδήποτε), ή απλώς ανυόνια.
Ωστόσο, μόλις το 2020 παρατηρήθηκαν πειραματικά αυτά τα παράξενα σωματίδια σε ημιαγωγούς πάχους ενός ατόμου (δύο διαστάσεων). «Είχαμε τα μποζόνια και τα φερμιόνια, και τώρα έχουμε αυτό το τρίτο βασίλειο“, είχε δηλώσει τότε ο Wilczek. “Είναι αναμφίβολα ένα ορόσημο».
Τώρα, επιστήμονες από το Ινστιτούτο Επιστήμης και Τεχνολογίας της Οκινάουα (OIST) και το Πανεπιστήμιο της Οκλαχόμα αναφέρουν την ύπαρξη ενός μονοδιάστατου συστήματος στο οποίο μπορούν να υπάρξουν ανυόνια.
Η «συνταγή» των ερευνητών
Σε δύο ξεχωριστές εργασίες —και οι δύο δημοσιευμένες στο περιοδικό Physical Review A— οι ερευνητές περιγράφουν τη “συνταγή” για ρυθμιζόμενα ανυόνια και τις θεωρητικές τους ιδιότητες, εξερευνώντας μια νέα γωνιά αυτού του “τρίτου βασιλείου” των στοιχειωδών σωματιδίων.
«Κάθε σωματίδιο στο σύμπαν μας φαίνεται να εντάσσεται αυστηρά σε δύο κατηγορίες: τα μποζονικά ή τα φερμιονικά. Γιατί δεν υπάρχουν άλλα;» ανέφερε σε σχετική ανακοίνωση ο Thomas Busch, ένας από τους συγγραφείς και των δύο μελετών από το OIST.
«Με αυτές τις εργασίες, ανοίξαμε πλέον την πόρτα για τη βελτίωση της κατανόησής μας σχετικά με τις θεμελιώδεις ιδιότητες του κβαντικού κόσμου, και είναι πολύ συναρπαστικό να δούμε πού θα μας οδηγήσει η θεωρητική και η πειραματική φυσική από εδώ και πέρα».
Τα ανυόνια υπάρχουν μόνο σε χαμηλότερες διαστάσεις επειδή, για να το θέσουμε πολύ απλά, τα σωματίδια σε αυτές τις διαστάσεις έχουν λιγότερες επιλογές κίνησης.
Ο «παράγοντας ανταλλαγής»: Γιατί οι διαστάσεις παίζουν ρόλο;
Ο Raúl Hidalgo-Sacoto (διδακτορικός φοιτητής στο OIST) περιγράφει τον “παράγοντα ανταλλαγής” που υπάρχει στον τρισδιάστατο χώρο — την ιδιότητα που απαιτεί, όταν δύο ηλεκτρόνια ανταλλάσσουν θέσεις, να υπακούουν σε έναν απλό κανόνα που διέπει τη μαθηματική στατιστική του γεγονότος: Το τετράγωνό του πρέπει να ισούται με 1, πράγμα που σημαίνει ότι όλα τα σωματίδια είναι είτε -1 (φερμιόνια) είτε 1 (μποζόνια).
Στις δύο διαστάσεις, ωστόσο, δεν είναι τόσο απλό: «Για να ικανοποιηθεί ο νόμος του μη διακρίσιμου, χρειαζόμαστε παράγοντες ανταλλαγής σε ένα συνεχές εύρος για να εξηγήσουμε την ανταλλαγή, ανάλογα με τις ακριβείς στροφές και ελιγμούς των διαδρομών», δήλωσε ο Hidalgo-Sacoto. Και οτιδήποτε βρίσκεται σε αυτό το εύρος μεταξύ -1 και 1 θεωρείται ανυόνιο.
Σε αυτή τη μελέτη, οι Busch, Hidalgo-Sacoto και η συνάδελφός τους Doerte Blume (από το Πανεπιστήμιο της Οκλαχόμα) διαπίστωσαν ότι αυτός ο διαχωρισμός μποζονίων-φερμιονίων παραμένει καταλυμένος στη μία διάσταση, και μάλιστα ανακάλυψαν μια μέθοδο για τη συγκεκριμένη ρύθμιση του παράγοντα ανταλλαγής.
Ανοίγοντας την πόρτα στον κβαντικό κόσμο του μέλλοντος
Λόγω της περιορισμένης κίνησής τους στη μία διάσταση, τα σωματίδια πρέπει να περάσουν το ένα μέσα από το άλλο, και αυτό αναγκάζει τον παράγοντα ανταλλαγής να διαφέρει από εκείνον των υψηλότερων διαστάσεων. Αυτό πιθανότατα συνδέεται με την ισχύ της αλληλεπίδρασης μικρής εμβέλειας μεταξύ των σωματιδίων.
«Δεν προσδιορίσαμε μόνο την πιθανότητα ύπαρξης μονοδιάστατων ανυονίων, αλλά δείξαμε επίσης πώς μπορεί να χαρτογραφηθεί η στατιστική ανταλλαγής τους», δήλωσε ο Busch σε δελτίο τύπου. «Είμαστε ενθουσιασμένοι που θα δούμε ποιες μελλοντικές ανακαλύψεις θα γίνουν σε αυτόν τον τομέα και τι μπορούν να μας πουν για τη θεμελιώδη φυσική του σύμπαντός μας».
