شواهد ریاضیاتی جدید نشان می‌دهد که وجود ذره سوم «غیرممکن» امکان‌پذیر است

مکانیک کوانتومی مدت‌هاست که ذرات را فقط به دو نوع متمایز تقسیم کرده است: «فرمیون‌ها» و «بوزون‌ها». اکنون فیزیکدانان «دانشگاه رایس» در ایالات متحده دریافته‌اند که حداقل از نظر ریاضی ممکن است نوع سومی نیز وجود داشته باشد. رفتار این ذرات که به‌عنوان «پاراذرات» شناخته می‌شوند، می‌تواند حاکی از وجود ذره‌ای بنیادی باشد که هیچ‌کس تا به‌حال به آن‌ها فکر نکرده است.

به گزارش زومیت، «کادن هازارد»، نویسنده‌ی مطالعه‌ی جدید گفت: «ما تعیین کردیم که وجود انواع جدیدی از ذرات که قبلاً هرگز از آن‌ها خبر نداشتیم، امکان‌پذیر است.» او و همکارش «ژیوان وانگ» نظریه‌ای را مطرح کردند تا نشان دهند چگونه اشیایی که نه فرمیون هستند و نه بوزون، بدون آنکه هیچ یک از قوانین شناخته‌شده را نقض کنند می‌توانند در واقعیت فیزیکی وجود داشته باشند.

فرمیون‌ها شامل ذراتی بنیادی هستند که اتم‌ها را می‌سازند؛ مانند «الکترون‌ها» و «کوارک‌ها». به زبان دقیق‌تر، آن‌ها دارای خاصیتی هستند که از اشغال حالت‌های کوانتومی یکسان جلوگیری می‌کند و باعث می‌شوند که هیچ دو فرمیون مشابه نتوانند فضای یکسانی را پر کنند. هازارد می‌گوید: «این رفتار، مسئول کل ساختار جدول تناوبی است. همچنین دلیل این است که وقتی روی صندلی می‌نشینید، از آن عبور نمی‌کنید!»

اما بوزون‌ها با معیاری متفاوت نسبت به این خاصیت تعریف می‌شوند که به ‌آن‌ها امکان می‌دهد مانند ارواح سرگردان در یک راهرو از یکدیگر عبور کنند. بوزون‌ها معمولاً به‌عنوان حاملان نیرو عمل می‌کنند؛ مانند «فوتون‌ها» و «گلوئون‌ها» و به‌گونه‌ای واسطه‌ی برهم‌کنش‌هایی می‌شوند که فرمیون‌ها را به درون هرچیز، از پروتون‌ها تا جوجه‌تیغی‌ها یا سیب‌زمینی‌ها و سیارات می‌کشانند.

یک استثنای قابل توجه در این قاعده‌ی سخت جداسازی وجود دارد. برخی از مواد که فقط محدود به دو بعد هستند، می‌توانند رفتاری شبه‌ذره‌ای بروز دهند که قوانین آماری مورد انتظار از فرمیون‌ها و بوزون‌ها را نقض و به‌طور مؤثری امکان تبادل منحصر به‌فرد حالت‌های کوانتومی را فراهم می‌کند.

این مواد که به‌عنوان «آنیون» شناخته می‌شوند، نمی‌توانند به فضای سه‌بعدی جهان ما گسترش یابند؛ بنابراین بعید است که نمایانگر ذره‌ای بنیادی باشند که هنوز کشف نکرده‌ایم. آن‌ها کمتر شبیه یک ردیف جدید در سخت‌افزار کوانتومی هستند و بیشتر به یک جاکلیدی نوآورانه‌اند شباهت دارند که می‌توانید از پیشخوان بردارید.

بااین‌حال، محدودیت یادشده هرگز مانع از آن نشده است که فیزیکدانان نظری از دستکاری توصیف‌های کوانتومی ذرات فرضی برای دیدن آنچه در حوزه‌ی «پارا-استاتیستیک» فعالیت می‌کند، دست بردارند. اگرچه توصیف چنین ذراتی صرفاً یک بیان ریاضی است، انجام آن می‌تواند درباره‌ی اینکه آیا فرمیون‌ها و بوزون‌ها واقعاً تمام ذرات موجود هستند یا خیر و چرایی این وضعیت، حقایقی عمیق‌تر را آشکار کند.

از زمان پیدایش پارا-استاتیستیک در اوایل تا اواسط قرن بیستم، فیزیکدانان نتوانسته‌اند با کمک آن چیزی پیدا کند که در دسته‌های فرمیون یا بوزون قرار نگیرد. در واقع با توسعه‌ی نظریه‌های کوانتومی، به‌طور فزاینده معلوم شد که هر نظریه‌ای که از طریق پارا-استاتیستیک توسعه یابد، از جهانی که فقط با فرمیون‌ها و بوزون‌ها تشکیل شده است، متمایز نیست.

اما مفهوم توصیف‌شده به هیچ وجه نمی‌تواند راهی برای ایجاد یک نوع جدید از ذرات ترسیم کند و صرفاً نشان می‌دهد که شاید نباید هنوز این احتمال را کنار بگذاریم. وانگ می‌گوید: «برای تحقق پاراذرات در آزمایش‌ها، به پیشنهادات نظری واقعی‌تر نیاز داریم.»

با این‌حال، دانستن اینکه مدل استاندارد فیزیک کوانتومی، هنوز هیچ جایی برای «نسبیت عام» ذخیره نکرده و جایی برای مصالح «ماده تاریک» یا فنرهای مرموز «انرژی تاریک» ندارد، نیاز به داشتن برنامه‌هایی برای گسترش این نظریه را برجسته می‌کند.

تحقیق در نشریه نیچر منتشر شده است.