Когато се вгледаме в самата същност на реалността – където елементарните частици съставляват материята, от която сме съставени ние и всичко около нас в триизмерното пространство, – нещата се разделят на две категории: фермиони и бозони. Тези две категории частици се определят предимно от техния атомен спин (в квантовата механика), като бозоните (фотони, глюони, бозон на Хигс, W бозони и Z бозони) имат цели стойности на спина, а фермионите (протони, неутрони, електрони, неутрино) имат половин стойности на спина. Докато два бозона могат да заемат едно и също квантово състояние (затова фотоните могат да преминават един през друг), два фермиона не могат – което е добре, защото, ако можеха, в момента щяхте да пропаднете през пода.

Но както често става в науката, нещата не винаги се подреждат толкова добре. Например от половин век учените знаят за аниона, който съществува в двуизмерното пространство. Тази квазичастица е по същество нещо между бозон и фермион, което обяснява защо американският физик Франк Уилчек ги е нарекъл „ани-они“ или просто аниони. Въпреки това едва през 2020 г. тези странни частици бяха наблюдавани експериментално в полупроводници с дебелина един атом (двуизмерни). „Имахме бозони и фермиони, а сега имаме и това трето царство“, пише Уилчек по това време. „Това е абсолютно важен момент.“

Сега учени от Института за наука и технологии в Окинава и Университета в Оклахома съобщават за съществуването на едноизмерна система, в която могат да съществуват аниони. В две отделни статии, публикувани в сп. Physical Review A, изследователите описват рецептата за регулируеми аниони и техните теоретични свойства, изследвайки нов ъгъл на това „трето царство“ на елементарните частици.

„Всяка частица в нашата вселена изглежда се вписва строго в две категории: бозонни или фермионни. Защо няма други?“, пита Томас Буш, съавтор на двете проучвания. „С тези разработки отворихме вратата към по-добро разбиране на фундаменталните свойства на квантовия свят и е много вълнуващо да видим къде ще ни отведат теоретичната и експерименталната физика оттук нататък.“

Анионите съществуват само в по-ниски измерения, защото, казано много просто, частиците в тези измерения имат по-малко възможности за движение. Раул Идалго-Сакотон, докторант в Института за наука и технологии в Окинава, описва „фактора на обмен“, който съществува в триизмерното пространство – свойството, което изисква, когато два електрона разменят местата си, да се подчиняват на просто правило, което управлява математическата статистика на събитието: квадратът му трябва да е равен на 1, което означава, че всички частици са или -1 (фермиони), или 1 (бозони).

В две измерения обаче нещата не са толкова прости: „За да удовлетворим закона за неразличимостта, се нуждаем от фактори на обмен в непрекъснат диапазон, които да отчитат обмена в зависимост от точните завои и обрати на пътя“, заяви Хидалго-Сакото в изявление за пресата. И всичко, което се намира в диапазона между -1 и 1, се счита за анион.

В това проучване Буш, Хидалго-Сакото и техният колега Доерте Блуме от Университета на Оклахома откриха, че тази двойка бозон-фермион остава разбита в едно измерение, и дори откриха метод за специфично настройване на фактора на обмен. Поради ограниченото си движение в едно измерение частиците трябва да преминават една през друга, което води до разлика във фактора на обмен в сравнение с по-високите измерения. Това вероятно е свързано със силата на краткодействащото взаимодействие между частиците.

„Не само установихме възможността за съществуване на едномерни аниони, но и показахме как може да се картографира тяхната обменна статистика“, завършва Буш. „С нетърпение очакваме бъдещите открития в тази област и какво ще ни разкрият те за фундаменталната физика на нашата вселена.“

Снимка: Pexels

Виж още: Интелект в чинийка: учени отгледаха мини мозъци и ги обучиха да решават инженерни проблеми