В 2021 году, во время тихого пандемийного дня, аспирант университета Райса Чжиюань Ван занимался странной математической задачей от скуки. Он нашёл необычное решение, а затем задумался: можно ли его как-то объяснить с точки зрения физики? Постепенно ему пришла в голову идея о существовании нового типа частиц – таких, которые не являются ни частицами материи, ни переносчиками сил. Что-то совершенно иное.
Ван поделился находкой со своим научным руководителем Кейденом Хаззардом . Тот сначала усомнился, но предложил ученику бросить всё и полностью сосредоточиться на этой загадке. Спустя три года, уже в статусе постдока в Институте квантовой оптики Макса Планка, Ван вместе с Хаззардом опубликовал статью в Nature, в которой утверждается: в природе действительно может существовать третий класс частиц – парачастицы, и они способны породить совершенно новые формы материи.
Примерно в то же время над этой темой размышлял и физик Маркус Мюллер из Института квантовой оптики и квантовой информации в Вене. Он подходил к вопросу с другой стороны – рассматривал, как можно переключаться между различными “ветвями” реальности, возникающими в квантовой суперпозиции. Его команда выяснила, что в рамках более строгих условий такие парачастицы невозможны. Их результаты были опубликованы в препринте в феврале 2024 года.
Обе работы – и Вана с Хаззардом, и Мюллера – заставили по-новому взглянуть на казалось бы решённую десятилетия назад задачу: какие вообще частицы возможны в нашей Вселенной?
Сегодняшняя физика делит все элементарные частицы на два типа: фермионы (строят материю) и бозоны (переносят силы, например, фотоны – переносчики света). Основное различие между ними заключается в том, как они ведут себя при перестановке: фермионы получают минус в своей квантовой волновой функции, что не позволяет им находиться в одном и том же состоянии. Именно это правило, открытое Вольфгангом Паули в 1925 году, лежит в основе структуры атомов и существования материи. Бозонам же перестановка не вредит – они легко могут “собраться” в одном состоянии. Именно это позволяет создавать, например, лазеры.
Тем не менее, в уравнениях квантовой механики нигде не написано, что возможны только фермионы и бозоны. Квантовые состояния в физике описываются так, что при измерении “схлопываются” и теряют важные особенности – например, минус перед функцией. Это стирание отличий делает все одинаковые частицы неразличимыми при измерении. Однако теоретически у частиц могут быть и более сложные скрытые внутренние состояния, которые также исчезают при измерении, но влияют на поведение. Именно такие состояния и открывают дверь к существованию третьего типа частиц – парачастиц.
Первые попытки описать их предпринимались ещё в 1950-х, но долгое время считалось, что все такие модели на самом деле сводятся к комбинациям уже известных частиц. В 1970-х теория DHR (по именам физиков Доплихера, Хаага и Робертса) показала, что если принять ряд естественных для физики предположений – таких как локальность и трёхмерность пространства, – то возможны только бозоны и фермионы. Это надолго охладило интерес к теме.
Исключением стали анионы – особые частицы, предложенные Франком Вильчеком в 1980-х. Они не являются ни бозонами, ни фермионами, но при этом могут существовать только в двумерном пространстве. Анионы активно изучаются в контексте квантовых вычислений, поскольку могут реализоваться на поверхности материалов или в плоских массивах кубитов.
Тем более неожиданным стало новое открытие. Ван и Хаззард предложили модель, в которой парачастицы действительно возможны, даже в трёхмерном пространстве. Их идея состоит в том, что при перестановке таких частиц меняются не просто их позиции, а скрытые внутренние свойства – как если бы два объекта, один с “внутренне синим”, другой с “внутренне красным” состоянием, после обмена становились зелёным и жёлтым. Эти скрытые изменения нельзя измерить напрямую, но они влияют на поведение частиц, особенно при взаимодействии.
Тем временем команда Мюллера подошла к вопросу через квантовую суперпозицию: если вы меняете местами две частицы только в одной “ветке” квантового мира, а в другой оставляете как есть, должны ли они всё равно оставаться неразличимыми? Их расчёты показали, что если требовать полной неразличимости в любой ветке, то парачастицы невозможны – остаются только фермионы и бозоны.
Но работа Вана и Хаззарда от этих ограничений уходит: их парачастицы в принципе не являются полностью неразличимыми. Один наблюдатель не может отличить их перестановку, но если два наблюдателя сравнят данные, они смогут заметить эффект. Это противоречит обычным ожиданиям для элементарных частиц, но именно за счёт такого компромисса теория остаётся работоспособной.
С точки зрения физики это означает, что можно представить новое состояние вещества – между упорядоченностью бозонов и запретами фермионов. Парачастицы можно “укладывать” в одно состояние, но лишь ограниченным числом – сколько именно, зависит от конкретной модели.
Скорее всего, если такие частицы и удастся обнаружить, это будут не фундаментальные, а так называемые квазичастицы – коллективные возбуждения в сложных квантовых материалах. По словам физика Брайса Гэдвея, уже в ближайшие годы такие парачастицы можно будет попробовать создать в лаборатории с помощью ридберговских атомов – особых атомов с сильно возбужденными электронами, идеально подходящих для моделирования квантовых систем.
Однако пока всё это остаётся чистой теорией. Как сказал сам Вильчек, лауреат Нобелевской премии и отец анионов: “Парачастицы могут оказаться важными. Но пока что это скорее теоретическое любопытство”.