宇宙線からクォークまで、宇宙の最後のすべての粒子は、フェルミオンまたはボソンのいずれかです。これらのカテゴリは、自然の構成要素を 2 つの異なる王国に分けます。現在、研究者たちは、第 3 の粒子界の最初の例を発見しました。
エニオンは、知られているように、フェルミオンやボソンのようには振る舞いません。代わりに、彼らの行動は中間のどこかにあります。 Science に掲載された最近の論文で 、物理学者は、これらの粒子がどちらの王国にも当てはまらないという最初の実験的証拠を発見しました.マサチューセッツ工科大学のノーベル賞受賞物理学者であるフランク・ウィルチェクは、「私たちはボソンとフェルミ粒子を持っていました。そして今、この第三の王国を手に入れました。 「これはまさにマイルストーンです。」
エニオンとは
量子界を理解するには、ループの図を考えてください。電子のような 2 つの区別できない粒子を想像してみてください。 1 つを取り、もう 1 つをループさせて、最初の場所に戻します。何も変わっていないようです。実際、量子力学の数学的言語では、初期状態と最終状態を表す 2 つの波動関数は、等しいか、係数 -1 だけずれている必要があります。 (量子力学では、この波動関数を 2 乗することで観測される確率を計算するため、この係数 -1 は洗い流されます。)
波動関数が同じであれば、量子粒子はボソンです。それらが-1の係数でずれている場合、フェルミ粒子があります。導出は純粋に数学的演習のように見えるかもしれませんが、物理的に深刻な結果をもたらします。
フェルミオンは、粒子世界の反社会的メンバーです。それらが同じ量子状態を占めることはありません。このため、フェルミオンである電子は、原子の周りのさまざまな原子殻に押し込まれます。この単純な現象から、原子の空間の大部分、驚くほど多様な周期表、そして化学のすべてが生まれます。
一方、ボソンは群生粒子であり、喜んで集まって同じ量子状態を共有します。このように、ボソンである光子は互いに通過することができ、光線が散乱するのではなく妨げられずに進むことができます.
しかし、ある量子粒子を別の量子粒子の周りにループさせたときに、同じ量子状態に戻らなかったらどうなるでしょうか?この可能性を理解するには、形状の数学的研究であるトポロジーについて簡単に説明する必要があります。 2 つの形状は、一方を切断したり接着したりせずに他方に変換できる場合、位相的に等価です。古いことわざにあるように、ドーナツとコーヒー マグカップはトポロジー的に等価です。なぜなら、一方が穏やかに連続的に他方に形作られるからです。
1 つのパーティクルを別のパーティクルの周りで回転させたときに作成したループを考えてみましょう。 3 次元では、そのループをポイントまで縮小できます。トポロジー的に言えば、まるで粒子がまったく動いていないかのようです。
ただし、2 次元では、ループは縮小できません。他の粒子にくっつきます。途中でカットせずにループを縮めることはできません。この制限 (2 次元でのみ見られる) のため、1 つの粒子を別の粒子の周りにループさせることは、粒子を同じ場所に残すことと同じではありません。
第 3 の粒子の可能性が必要です。エニオンです。それらの波動関数は、フェルミオンとボソンを定義する 2 つの解に限定されないため、これらの粒子は 2 つのどちらにもならず、その間の任意のものになることができます。 Wilczek が最初にエニオンという用語を作り出したとき、それは何でもありという皮肉な提案でした。
実験
最近の実験を率いたパリのソルボンヌ大学の物理学者であるグウェンダル・フェーヴは、「位相論的議論は、これらのエニオンが存在する可能性があることを最初に示したものでした。 「残されたのは物理システムでした。」
電子が 2 次元の運動に制限され、ほぼ絶対零度まで冷却され、強い磁場にさらされると、非常に奇妙なことが起こり始めます。 1980 年代初頭、物理学者はこれらの条件を最初に使用して「部分量子ホール効果」を観察しました。この効果では、電子が集まって、単一電子の電荷の一部を持つ、いわゆる準粒子が作成されます。 (電子の集合的な振る舞いを粒子と呼ぶのが奇妙に思える場合は、それ自体が 3 つのクォークで構成されている陽子について考えてみてください。)
1984 年、Wilczek、Daniel Arovas、および John Robert Schrieffer による独創的な 2 ページの論文は、これらの準粒子がエニオンでなければならないことを示しました。しかし科学者たちは、これらの準粒子でエニオンのような振る舞いを観察したことはありませんでした。つまり、エニオンがフェルミオンやボソンとは異なり、互いに束になったり、完全に反発したりしないことを証明できませんでした.
それが新しい研究が行うことです。 2016 年、3 人の物理学者が、2 次元の小さな粒子コライダーに似た実験装置について説明しました。フェーヴと彼の同僚は、似たようなものを作り、それを使ってエニオンを粉砕しました。コライダー内の電流の変動を測定することにより、エニオンの挙動が理論上の予測と正確に一致することを示すことができました。
最近の研究には関わっていないブラウン大学の物理学者、ドミトリ・フェルドマン氏は、「すべてが理論と非常に一致しているため、疑問の余地はありません」と述べています。 「私の経験では、これはこの分野では非常に珍しいことです。」
「長い間、多くの証拠がありました」と Wilczek は言いました。 「しかし、もしあなたが尋ねたら、エニオンがその現象に責任があり、他の方法では説明できないと指摘して言うことができる特定の現象はありますか?これは明らかに異なるレベルにあると思います。」
この記事はに転載されました Wired.com .
