莱斯大学的科学家们从理论上论证了玻色子和费米子以外的粒子
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2025-02-21 15:21:19
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数学方法指出了长期以来被认为不可能存在的粒子的可能性

从量子力学的早期发展开始,科学家们就认为所有的粒子都可以根据它们的行为分为两类——玻色子或费米子。然而,莱斯大学物理学家Kaden Hazzard和前莱斯大学研究生Wang Zhiyuan的新研究表明了粒子既不是玻色子也不是费米子的可能性。他们的研究发表在1月8日的《自然》杂志上,从数学上证明了长期以来被认为不可能存在的粒子的潜在存在。

物理学和天文学副教授Hazzard说:“我们确定,我们以前从未知道的新型粒子是可能存在的。”

量子力学长期以来一直认为,所有可观测到的粒子要么是费米子,要么是玻色子。这两种类型的粒子是通过它们在给定量子态中靠近其他粒子时的行为来区分的。玻色子能够以无限数量聚集,而在给定状态下只能存在一个费米子。费米子的这种行为被称为泡利不相容原理,该原理指出,在一个原子中,不超过两个自旋相反的电子可以占据同一个轨道。

Hazzard说:“这种行为决定了元素周期表的整个结构。”“这也是为什么当你坐下的时候,你不会只是穿过你的椅子。”

在20世纪30年代和40年代,研究人员开始试图了解是否存在其他类型的粒子。1953年,人们提出了一种具体的粒子量子理论,称为paraparticles,高能物理界对此进行了广泛的研究。然而,到了20世纪70年代,数学研究似乎表明,所谓的paraparticles实际上只是伪装的玻色子或费米子。唯一的例外是任意子的存在,这是一种只存在于二维空间的奇特粒子。

然而,20世纪70年代及之后的数学理论是基于在物理系统中并不总是正确的假设。Hazzard和Wang利用Yang-Baxter方程的一个解,一个描述粒子交换的方程,以及群论和其他数学工具,证明paraparticles在理论上可以存在,并且完全符合已知的物理约束。

研究人员将重点放在凝聚态系统(如磁铁)中的激发上,这可以被认为是paraparticles,为paraparticles如何在自然界中出现提供了一个具体的例子。“paraparticles不仅仅是这些基本的东西,”Hazzard说。“它们在描述材料方面也很重要。”

Wang说:“这是一个跨学科的研究,涉及理论物理和数学的几个领域。”他现在是德国马克斯普朗克量子光学研究所的博士后研究员。

利用高级数学,如李代数、霍普夫代数和表示理论,以及一种基于张量网络图的图形方法来更好地处理方程,Hazzard和Wang能够进行抽象的代数计算,以建立出现paraparticles的凝聚态系统的模型。他们表明,与费米子或玻色子不同,粒子在交换位置的过程中,会以奇怪的方式表现出内部状态的变化。

虽然这些模型本身具有开创性,但它们是更好地理解可能发生在粒子系统中的许多新物理现象的第一步。这一理论的进一步发展可以指导在凝聚态系统的激发下探测paraparticles的实验。“为了在实验中实现paraparticles,我们需要更现实的理论建议,”Wang说。

材料中新的基本粒子和性质的发现可以用于量子信息和计算,例如通过操纵粒子的内部状态秘密传递信息。

考虑可能的应用还处于起步阶段,而且主要还是猜测。这项研究是凝聚态系统准统计学研究的早期阶段,但这些发现可能导致的结果尚不确定。进一步探索在凝聚态体系和其他材料中发现的新型理论和对粒子的观察将是未来研究的主题。

Hazzard说:“我不知道它会走向何方,但我知道发现它会令人兴奋。”

作者

论文链接:

https://www.nature.com/articles/s41586-024-08262-7

新闻链接:

https://news.rice.edu/news/2025/mathematical-methods-point-possibility-particles-long-thought-impossible

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