Een nieuw onderzoek toont aan dat de parapartikel, een tot nu toe onbekend deeltje dat buiten de traditionele indeling van fermionen of bosonen valt, misschien toch bestaat.
Al sinds de begindagen van de kwantummechanica gingen wetenschappers ervan uit dat alle deeltjes in twee groepen kunnen worden ingedeeld: fermionen of bosonen. Maar nu suggereren onderzoekers dat er misschien ook deeltjes bestaan die in geen van beide categorieën passen. Hun studie bewijst wiskundig dat parapartikels, die lange tijd als onmogelijk werden beschouwd, mogelijk toch bestaan.
Bosonen of fermionen
De kwantummechanica stelt dat alle waarneembare deeltjes of fermionen of bosonen zijn. Deze twee typen deeltjes onderscheiden zich door hoe ze zich gedragen wanneer ze zich in de buurt van andere deeltjes in een bepaalde kwantumtoestand bevinden. Bosonen kunnen zich in onbeperkte aantallen groeperen, terwijl slechts één fermion in een bepaalde toestand kan bestaan. Dit gedrag van fermionen wordt het uitsluitingsprincipe van Pauli genoemd. Dit houdt in dat niet meer dan twee elektronen, met tegengestelde spins, dezelfde baan in een atoom mogen delen. “Dit gedrag bepaalt de hele structuur van het periodiek systeem”, stelt Kaden Hazzard, universitair hoofddocent natuurkunde en astronomie. “Het is ook de reden waarom je niet zomaar door je stoel zakt wanneer je gaat zitten.”
Parapartikels
In de jaren 1930 en 1940 begonnen onderzoekers zich af te vragen of er ook andere soorten deeltjes konden bestaan. In 1953 werd een concrete kwantumtheorie voor zulke deeltjes, de zogenaamde parapartikels, geformuleerd en uitgebreid bestudeerd. Tegen de jaren 1970 leken wiskundige studies aan te tonen dat de zogenoemde parapartikels in werkelijkheid gewoon bosonen of fermionen in vermomming waren. De enige uitzondering was het bestaan van anyons, een exotisch type deeltje dat uitsluitend in twee dimensies voorkomt.
Theoretisch mogelijk
De wiskundige theorieën uit de jaren 1970 en later waren echter gebaseerd op aannames die niet altijd opgaan in fysieke systemen. Door gebruik te maken van een oplossing van de Yang-Baxtervergelijking – een formule die helpt bij het beschrijven van de uitwisseling van deeltjes – en door groepentheorie en andere wiskundige technieken toe te passen, ging Hazzard, samen met zijn collega Zhiyuan Wang, aan de slag om te onderzoeken of parapartikels theoretisch mogelijk zijn. En wat blijkt: ze zouden zelfs perfect passen binnen de bekende natuurkundige wetten. “We hebben bepaald dat nieuwe typen deeltjes die we eerder niet kenden, mogelijk zijn”, aldus Hazzard.
Excitatie
De onderzoekers richtten zich op excitatie, die je als deeltjes kunt zien, in systemen zoals magneten om een voorbeeld te geven van hoe parapartikels in de natuur kunnen ontstaan. “Deeltjes zijn niet alleen fundamentele bouwstenen”, zei Hazzard. “Ze helpen ook bij het beschrijven van materialen.”
Wiskunde
Met geavanceerde wiskunde – zoals lie-algebra, Hopf-algebra en representatietheorie – en door een visuele methode te gebruiken die bekendstaat als tensornetwerkdiagrammen (tensor network diagrams) om de vergelijkingen beter te begrijpen, konden Hazzard en Wang abstracte algebraïsche berekeningen uitvoeren en modellen ontwikkelen van vaste-stofsystemen waarin parapartikels kunnen ontstaan. Ze toonden aan dat parapartikels, anders dan fermionen of bosonen, zich op bijzondere manieren gedragen wanneer ze van positie wisselen met de interne toestanden van de deeltjes die tijdens het proces veranderen.
Baanbrekend
Al met al opent deze studie de mogelijkheid dat de parapartikel, die theoretisch buiten de traditionele indeling van bosonen en fermionen valt, wellicht echt zou kunnen bestaan. Het onderzoek van Hazzard en Wang biedt nieuwe wiskundige modellen die passen bij de bekende natuurkundige wetten en wijzen op de mogelijkheid van parapartikels in systemen zoals vaste stoffen. Hoewel deze modellen op zichzelf al baanbrekend zijn, vormen ze de eerste stap naar een dieper begrip van nieuwe fysieke verschijnselen die zich in parapartikkelsystemen kunnen voordoen. Verdere uitwerking van deze theorie zou experimenten kunnen inspireren die parapartikels in de excitaties van vaste-stofsystemen kunnen opsporen. “Om parapartikels in experimenten te realiseren, hebben we meer realistische theoretische voorstellen nodig,” benadrukt Wang.
Toepassingen
De ontdekking van nieuwe deeltjes en eigenschappen in materialen kan nuttig zijn voor kwantuminformatie en -computatie, bijvoorbeeld voor het geheim uitwisselen van informatie door de interne toestanden van deeltjes te veranderen. De onderzoekers benadrukken echter dat het nadenken over mogelijke toepassingen momenteel nog in de kinderschoenen staat en grotendeels speculatief is.
Deze studie is in feite de eerste stap in het onderzoek naar parastatistiek in vaste-stofsystemen. Het is echter nog niet duidelijk wat deze bevindingen precies zullen opleveren. Verdere verkenning van de nieuwe ontdekte theorieën en de observatie van parapartikels in vaste-stofsystemen en andere materialen zullen in de toekomst belangrijke onderzoeksrichtingen zijn. “Ik weet niet precies waar het naartoe zal leiden, maar ik weet wel dat het spannend zal zijn om het te ontdekken”, besluit Hazzard.
