Физики традиционно делят все элементарные частицы в нашей трехмерной Вселенной на две группы: бозоны и фермионы. К первым обычно относят частицы, переносящие взаимодействие, а ко вторым — те, что составляют материю, в том числе электроны, протоны и нейтроны.
Однако в системах с меньшей размерностью это четкое различие начинает стираться. С 1970-х годов ученые предсказывали существование третьей категории частиц, занимающих промежуточное положение, — анионов. Их впервые экспериментально обнаружили в 2020 году в ультратонких сильно намагниченных полупроводниковых системах.
Опираясь на эту работу, международная группа исследователей определила одномерную систему, в которой могут существовать анионы, и проанализировала их теоретические свойства. Результатами работы команда поделилась в журнале Physical Review A.
Бозоны, как правило, действуют коллективно: как, например, в лазерах или конденсатах Бозе-Эйнштейна, где частицы находятся в одном и том же состоянии. Фермионы, напротив, не могут находиться в одном и том же состоянии, это свойство лежит в основе строения атомов и периодической таблицы химических элементов.
В пространствах меньшей размерности ситуация меняется. У частиц нет таких возможностей перемещаться относительно друг друга, и обмен становится привязанным к их траекториям в пространстве и времени. Система больше не может вернуться в исходное состояние. Это позволяет создать новый класс частиц с обменными коэффициентами, которые не ограничиваются значениями +1 (бозоны) или -1 (фермионы). Такие частицы и называются анионами.
Авторы исследования продемонстрировали, что в одномерных системах этот расширенный диапазон поведения сохраняется и даже может быть настроен. Коэффициент обмена в данном случае напрямую связан с силой взаимодействия между частицами на коротких расстояниях. Эта взаимосвязь позволяет ученым контролировать обменные процессы, открывая новые возможности для экспериментов.
Мы не только выявили возможность существования одномерных анионов, но и показали, как можно отобразить их обменную статистику и наблюдать их природу через распределение их импульсных характеристик. Экспериментальные установки, необходимые для проведения таких наблюдений, уже существуют. Мы с нетерпением ждем новых открытий в этой области и того, что они могут рассказать нам о фундаментальной физике нашей Вселенной.
Ранее физики уточнили массу одного из основных строительных блоков Вселенной.
