De kwantummechanica heeft deeltjes lange tijd in slechts twee verschillende typen ingedeeld: fermionen en bosonen.
Nu hebben natuurkundigen van de Rice University in de VS ontdekt dat een derde type eindelijk mogelijk zou kunnen zijn, althans wiskundig gezien. Hun gedrag, bekend als paradeeltjes, zou kunnen wijzen op het bestaan van elementaire deeltjes waar nog nooit iemand aan heeft gedacht.
“We hebben vastgesteld dat er nieuwe soorten deeltjes mogelijk zijn waar we nog nooit van wisten.” zegt hij Kaden Hazzard, die samen met co-auteur Zhiyuan Wang een theorie formuleerde om aan te tonen hoe objecten die geen fermionen of bosonen waren, in de fysieke realiteit konden bestaan zonder bekende wetten te overtreden.
Fermionen omvatten fundamentele deeltjes die atomen “bouwen”, zoals elektronen en quarks. Preciezer gezegd: ze hebben een eigenschap die verhindert dat ze identieke kwantumtoestanden innemen, waardoor er effectief voor wordt gezorgd dat geen twee bijpassende fermionen dezelfde ruimte kunnen vullen.
“Dit gedrag is verantwoordelijk voor de gehele structuur van het periodiek systeem.” zegt hij Hazzard. “Het is ook de reden dat je niet zomaar langs je stoel loopt als je gaat zitten.”
Bosonen worden in deze eigenschap op een andere manier gedefinieerd, waardoor ze dwars door elkaar heen kunnen gaan als geesten in een gang.
Bosonen fungeren doorgaans als krachtdragers zoals fotonen en gluonen en bemiddelen in interacties op manieren die fermionen in alles duwen en trekken, van protonen tot biggen tot aardappelen en planeten.
Er bestaat één opmerkelijke uitzondering op deze strikte regel van de scheiding van kwantumtoestanden. Beperkt tot slechts twee dimensies kunnen sommige materialen deeltjesachtig gedrag veroorzaken dat in strijd is met de statistische wetten die van fermionen en bosonen worden verwacht, waardoor in wezen een unieke wisseling van kwantumtoestanden mogelijk is.
Bekend als anyonsdeze technische hiaten kunnen zich niet uitstrekken tot in de driedimensionale ruimte van ons heelal en zullen daarom waarschijnlijk niet worden vertegenwoordigd door bonafide fundamentele deeltjes die we nog moeten ontdekken. Minder nieuwe corridor in kwantummaterialen. ze lijken meer op een nieuwe sleutelhanger die je bij de receptie kunt ophalen.
Dit heeft theoretische natuurkundigen er echter nooit van weerhouden te sleutelen aan kwantumbeschrijvingen van hypothetische deeltjes om te zien wat er overleeft, opererend in een veld genaamd manifest. Hoewel dit een puur wiskundige handeling is, kan dit diepere waarheden onthullen over de vraag of fermionen en bosonen werkelijk alles zijn wat er is, en zo ja, waarom dat zo is.
Sinds de oprichting ervan in het begin tot het midden van de 20e eeuw zijn demonstratieven er niet in geslaagd iets te vinden dat niet in de fermion- of bosonboxen kan vallen. Naarmate de kwantumtheorieën zich in de loop van de tijd ontwikkelden, werd het steeds duidelijker dat elke theorie die door het representalisme werd ontwikkeld, niet te onderscheiden zou zijn van een universum van alleen fermionen en bosonen.
Wang en Hazzard denken dat ze een reden hebben ontdekt om het er niet mee eens te zijn. Door een tweede kwantiseringsstap te introduceren, anders dan eerdere methoden, lieten ze zien dat collectief gedrag in materialen deeltjes kan creëren die zich enigszins als ieder ander gedragen, zelfs als ze draaien in een driedimensionaal universum dat min of meer identiek is aan het onze.
Het idee schiet verre van het in kaart brengen van een pad naar een geheel nieuwe klasse deeltjes, en dient alleen maar om aan te tonen dat we het boek over de mogelijkheid misschien nog niet willen sluiten.
“Om paradeeltjes in experimenten te realiseren, hebben we realistischere theoretische voorstellen nodig.” zegt hij Wang.
Maar als we weten dat het Standaard Materiële Model van de kwantumfysica nog steeds niets inhoudt voor de algemene relativiteitstheorie en geen ruimte biedt voor stenen van donkere materie of de even mysterieuze bronnen van donkere energie, is het de moeite waard om plannen voor uitbreiding te hebben.
Dit onderzoek is gepubliceerd in Natuur.
