Matematiksel yöntemler uzun zamandır imkansız olduğu düşünülen parçacıkların olasılığına işaret ediyor.

Kuantum mekaniğinin ilk günlerinden beri bilim insanları, tüm parçacıkların davranışlarına göre bozonlar veya fermiyonlar olmak üzere iki grupta sınıflandırılabileceğini düşünüyorlardı.

Ancak Rice Üniversitesi fizikçisi Kaden Hazzard ve eski Rice lisansüstü öğrencisi Zhiyuan Wang'ın yeni araştırması, ne bozon ne de fermiyon olan parçacıkların olasılığını gösteriyor. Nature'da yayınlanan çalışmaları , uzun zamandır imkansız olduğu düşünülen parapartiküllerin potansiyel varlığını matematiksel olarak gösteriyor.Fizik ve astronomi doçenti Hazzard, "Daha önce hiç bilmediğimiz yeni parçacık türlerinin mümkün olduğunu belirledik" dedi.

Kuantum mekaniği uzun zamandır tüm gözlemlenebilir parçacıkların fermiyonlar veya bozonlar olduğunu savunmuştur. Bu iki parçacık türü, belirli bir kuantum durumunda diğer parçacıkların yakınındayken nasıl davrandıklarına göre ayırt edilir. Bozonlar sınırsız sayıda bir araya gelebilirken, belirli bir durumda yalnızca bir fermiyon bulunabilir. Fermiyonların bu davranışına Pauli dışlama ilkesi denir ve bu ilkeye göre, her biri zıt spinlere sahip en fazla iki elektron bir atomda aynı yörüngeyi işgal edebilir."Bu davranış periyodik tablonun tüm yapısından sorumludur," dedi Hazzard. "Ayrıca oturduğunuzda sandalyenizin üzerinden geçmemenizin nedeni de budur."

1930'larda ve 1940'larda araştırmacılar başka parçacık türlerinin var olup olmadığını anlamaya çalışmaya başladılar. Parapartiküller olarak bilinen bu tür parçacıkların somut bir kuantum teorisi 1953'te formüle edildi ve yüksek enerji fiziği topluluğu tarafından kapsamlı bir şekilde incelendi. Ancak 1970'lere gelindiğinde matematiksel çalışmalar sözde parapartiküllerin aslında sadece kılık değiştirmiş bozonlar veya fermiyonlar olduğunu gösteriyordu. Tek istisna, yalnızca iki boyutta var olan egzotik bir parçacık türü olan anyonların varlığıydı.Ancak 1970'ler ve sonrasındaki matematiksel teoriler, fiziksel sistemlerde her zaman doğru olmayan varsayımlara dayanıyordu. Parçacıkların değişimini tanımlamak için yararlı bir denklem olan Yang-Baxter denkleminin bir çözümünü, grup teorisi ve diğer matematiksel araçlarla birlikte kullanarak Hazzard ve Wang, parapartiküllerin teorik olarak var olabileceğini ve fiziğin bilinen kısıtlamalarıyla tamamen uyumlu olabileceğini göstermek için çalışmaya koyuldular.

Araştırmacılar, doğada parapartiküllerin nasıl ortaya çıkabileceğine dair somut bir örnek sağlamak için mıknatıslar gibi yoğun madde sistemlerindeki parçacıklar olarak düşünülebilecek uyarımlara odaklandılar."Parçacıklar sadece bu temel şeyler değil," dedi Hazzard. "Ayrıca malzemeleri tanımlamada da önemlidirler."

Şu anda Almanya'daki Max Planck Kuantum Optik Enstitüsü'nde doktora sonrası araştırmacı olan Wang, "Bu, teorik fizik ve matematiğin çeşitli alanlarını kapsayan disiplinler arası bir araştırmadır" dedi.Hazzard ve Wang, Lie cebirleri, Hopf cebirleri ve temsil teorisi gibi ileri matematik yöntemlerini ve denklemleri daha iyi ele almak için tensör ağ diyagramları olarak bilinen bir şeye dayanan resimsel yöntemi kullanarak, parapartiküllerin ortaya çıktığı yoğun madde sistemlerinin modellerini geliştirmek için soyut cebirsel hesaplamalar yapabildiler.

Fermiyonlar veya bozonların aksine, parapartiküllerin, süreç sırasında dönüşen parçacıkların iç durumlarıyla konumlarını değiştirdiklerinde garip şekillerde davrandıklarını gösterdiler.Kendi başlarına çığır açıcı olsalar da, bu modeller parapartikül sistemlerinde meydana gelebilecek birçok yeni fiziksel fenomenin daha iyi anlaşılmasına yönelik ilk adımdır. Bu teorinin daha da geliştirilmesi, yoğun madde sistemlerinin uyarımlarında parapartikülleri tespit edebilecek deneylere rehberlik edebilir.

Wang, "Parapartikülleri deneylerde gerçekleştirebilmek için daha gerçekçi teorik önerilere ihtiyacımız var" dedi.Malzemelerdeki yeni temel parçacıkların ve özelliklerin keşfi , parçacıkların iç durumlarını manipüle ederek gizlice bilgi iletişimi sağlamak gibi kuantum bilgi ve hesaplamalarında kullanılabilir .

Olası uygulamaları düşünmek henüz emekleme aşamasında ve hala çoğunlukla spekülasyon. Bu çalışma, yoğun madde sistemlerinde parastatistiklerin incelenmesinde erken bir adımdır, ancak bu bulguların nereye varabileceği belirsizdir. Keşfedilen yeni teori türlerinin daha fazla araştırılması ve yoğun madde sistemlerinde ve diğer malzemelerde parapartiküllerin gözlemlenmesi gelecekte araştırma konuları olacaktır.^[1]Hazzard, "Nereye varacağını bilmiyorum ama öğrenmenin heyecan verici olacağını biliyorum" dedi.