Å begrense en underlig partikkeltype kjent som anyoner til bare én dimensjon kan tvinge dem til å opptre på helt nye måter, ifølge nye modeller. Det kan i sin tur gi forskere et glimt av hittil ukjente former for partikkeloppførsel og mulige nye grunnleggende samspill i fysikken.
I et tredimensjonalt univers blir partikler vanligvis delt i to hovedkategorier. Fermioner beskriver partikler som i praksis ikke kan dele samme kvantetilstand, som elektroner og kvarker. Bosoner er derimot partikler som kan «samles» i samme tilstand og ofte forbindes med krefter og felt, som fotoner.
– Hver partikkel i universet vårt ser ut til å passe strengt inn i to kategorier: bosonisk eller fermionisk. Hvorfor finnes det ingen andre? sier fysiker Thomas Busch ved Okinawa Institute of Science and Technology i Japan.
For rundt 50 år siden pekte teoretiske fysikere på at disse reglene endrer karakter når man går ned i dimensjoner. I todimensjonale systemer kan det oppstå en tredje kategori: anyoner. De er verken rene bosoner eller rene fermioner, og har en mer fleksibel «byttestatistikk» når to partikler bytter plass.
Siden den gang har det kommet stadig mer indirekte og eksperimentell støtte for at anyoner kan eksistere i laboratoriet, blant annet i systemer der partikler som elektroner blir tvunget til å bevege seg i flate, tilnærmet todimensjonale miljøer.
Nå har forskere ved Okinawa Institute of Science and Technology og University of Oklahoma undersøkt hva som skjer dersom man tar steget enda lenger og studerer anyoner i én dimensjon. Der dukker det opp et nytt nivå av kompleksitet, ifølge arbeidet deres.
– Vi har ikke bare identifisert muligheten for endimensjonale anyoner, men også vist hvordan byttestatistikken deres kan kartlegges, og hvordan naturen deres kan observeres gjennom fordelingen av impuls, sier Busch.
Når partikler ikke kan passere hverandre
I et endimensjonalt system kan ikke partikler enkelt «gå rundt» hverandre. De blir i større grad tvunget til å påvirke hverandre direkte, og nettopp slike samspill er avgjørende for hvordan partikler klassifiseres. Derfor kan 1D-systemer gi forskerne en sjelden mulighet til å studere partikkelegenskaper på en ekstra følsom måte.
En sentral forskjell mellom bosoner og fermioner handler om hvor lett de «klumper seg sammen». Grovt sagt har bosoner en tendens til å samle seg, mens fermioner holder avstand på grunn av kvantemekaniske regler. I én dimensjon blir denne forskjellen enda mer utslagsgivende.
Forskerne argumenterer for at de tvungne samspillene i 1D gjør at anyoner kan deles inn i to typer: bosoniske anyoner og fermioniske anyoner. De beskriver også en faktor i samspillet som styrer hvor bosonisk eller fermionisk en gitt anyon oppfører seg.
Et viktig poeng i studien er at forskerne mener det kan være mulig å «se» forskjellene ved å måle partikkelens impulsfordeling, som kan fungere som et slags fingeravtrykk for hvilken type anyon man har med å gjøre.
– På samme måte som bosoner og fermioner, har bosoniske anyoner og fermioniske anyoner ulik byttestatistikk, skriver forskerne i en av publikasjonene.
Foreløpig teori, men med praktiske muligheter
Resultatene er foreløpig teoretiske og må bekreftes gjennom eksperimenter. Likevel kan de, selv på modellstadiet, påvirke hvordan fysikere tenker om partikler og grunnleggende samspill.
– De eksperimentelle oppsettene som er nødvendige for å gjøre slike observasjoner, finnes allerede. Vi gleder oss til å se hvilke framtidige oppdagelser som kommer, og hva dette kan fortelle oss om universets grunnleggende fysikk, sier Busch.
Studien føyer seg inn i en voksende forskningsretning som ser forbi den tradisjonelle todelingen mellom bosoner og fermioner. Feltet omtales ofte mer generelt som parastatistikk, og handler om muligheten for at naturen kan romme flere «måter» partikler kan opptre på enn det standardbildet vanligvis legger til grunn.
Forskningen er publisert i tidsskriftet Physical Review A.
