Le particelle conosciute come fermioni (illustrazione) non possono condividere lo stesso stato.Credito: Roman Andrade 3Dcienca/Science Photo Library
I fisici teorici hanno proposto l’esistenza di un nuovo tipo di particella che non rientra nelle classificazioni convenzionali di fermioni e bosoni. La loro ‘paraparticella’, descritta in Natura l’8 gennaio1non è il primo ad essere suggerito, ma il modello matematico dettagliato che lo caratterizza potrebbe portare a esperimenti in cui viene creato utilizzando un computer quantistico. La ricerca suggerisce anche che in natura potrebbero esistere paraparticelle elementari non ancora scoperte.
In uno sviluppo separato pubblicato alla fine dello scorso anno in Scienza2i fisici hanno dimostrato sperimentalmente per la prima volta un altro tipo di particella che non è né un bosone né un fermione – un “anione” – in un universo virtuale unidimensionale. Gli Anyons erano stati precedentemente creati solo nei sistemi 2D.
A causa del loro comportamento insolito, sia le paraparticelle che gli anioni potrebbero un giorno svolgere un ruolo nel rendere i computer quantistici meno soggetti a errori.
Proprietà delle particelle
Più o meno nel periodo in cui i fisici iniziarono a comprendere la struttura degli atomi, un secolo fa, il teorico austriaco Wolfgang Pauli suggerì che due elettroni non possono occupare lo stesso stato e che se due elettroni vengono spinti vicino a trovarsi nello stesso stato, un Tra di loro nasce una forza repulsiva. Questo “principio di esclusione di Pauli” è fondamentale per il modo in cui gli elettroni che orbitano attorno a un nucleo atomico si dispongono in gusci, invece di cadere tutti nello stato energetico più basso possibile.
Pauli e altri si resero presto conto che questa regola empirica di esclusione si applicava non solo agli elettroni ma a una classe più ampia di particelle, inclusi protoni e neutroni, che chiamarono fermioni. Al contrario, le particelle a cui piace condividere lo stesso stato – che includono, ad esempio, i fotoni in un raggio laser – divennero note come bosoni. (Pauli e i suoi collaboratori hanno anche scoperto perché l’essere un fermione o un bosone sembrava essere correlato al momento angolare intrinseco di una particella, o “spin”.)
Benvenuti a tutti! I fisici trovano le migliori prove finora disponibili per le strutture 2D a lungo ricercate
Matematicamente, la proprietà fondamentale dei fermioni è che quando due di essi cambiano posizione, la “funzione d’onda” che rappresenta il loro stato quantico collettivo cambia segno, il che significa che viene moltiplicata per –1. Per i bosoni la funzione d’onda rimane inalterata. I primi teorici quantistici sapevano che, in linea di principio, potevano esistere altri tipi di particelle le cui funzioni d’onda cambiavano in modi più complicati quando si scambiavano di posizione. Negli anni ’70, i ricercatori scoprirono gli anioni, che possono esistere solo in universi a una o due dimensioni.
Zhiyuan Wang, ora presso il Max Planck Institute for Quantum Optics di Garching, in Germania, e Kaden Hazzard presso la Rice University di Houston, in Texas, hanno ora costruito un modello per paraparticelle che possono esistere in qualsiasi numero di dimensioni e con proprietà diverse. da quelli dei fermioni o dei bosoni. In particolare, queste paraparticelle obbediscono al proprio tipo di esclusione di Pauli. “Non è del tutto sorprendente che sia possibile”, afferma Kasia Rejzner, fisica matematica dell’Università di York, nel Regno Unito. “Ma è comunque bello.”
Wang dice di aver inventato le regole dello scambio esotico per caso nel 2021, mentre faceva il dottorato. “È stato il momento più emozionante della mia vita”, dice. Wang aggiunge che dovrebbe essere possibile, anche se impegnativo, realizzare questi stati paraparticellari su un computer quantistico.
