Третий класс: как парачастицы бросили вызов квантовой реальности

В тишину пандемии 2021 года Чжиюань Ван, тогда аспирант Университета Райса, размышлял над странной математической задачей, пытаясь развеять скуку. Найдя экзотическое решение, он задумался: может ли это уравнение описывать новый тип частицы? Нечто, что не является ни фермионом (частицей материи), ни бозоном (переносчиком сил). Так родилась идея парачастиц — третьего класса квантовых объектов, способных переписать законы физики.

Когда Ван поделился открытием с научным руководителем Каденом Хаззардом, тот отреагировал скептически: «Я не уверен, что это возможно. Но если ты прав, брось всё и посвяти этому всё время». В январе 2024 года их совместная работа, опубликованная в Nature, доказала: парачастицы существуют теоретически и могут создавать материалы с невиданными свойствами.

Почти одновременно физик Маркус Мюллер из Института квантовой оптики в Вене обнаружил, что принцип суперпозиции в квантовой механике накладывает новые ограничения на парачастицы. Его команда описала это в февральском препринте. Хотя исследования стартовали независимо, вместе они возродили вековой спор: Какие частицы допустимы в нашем мире?

Скрытые миры

Все известные элементарные частицы делятся на два лагеря:

• Фермионы (электроны, кварки) образуют материю. Их квантовое состояние меняет знак при обмене местами, запрещая занимать одно положение. Благодаря этому принципу Паули вещество не коллапсирует.
• Бозоны (фотоны, глюоны) переносят силы. Их состояния инвариантны к перестановкам, позволяя «накопить» энергию в лазерах или сверхтекучих жидкостях.

Однако ещё в 1950-х физики предполагали: квантовая механика допускает третий вариант. При обмене парачастиц их скрытые степени свободы (невидимые при измерениях) преобразуются сложнее, чем просто умножение на ±1. В 1970-х теоремы DHR, опиравшиеся на трёхмерность пространства и локальность взаимодействий, «закрыли» вопрос, объявив бозоны и фермионы единственными вариантами. Но в 1980-х Франк Вильчек открыл энионы — исключение для 2D-систем, используемое сегодня в квантовых вычислениях.

Парачастицы же оставались мифом… до 2024 года.

Смена парадигмы

Пересмотрев теоремы DHR, Ван и Хаззард поняли: запрет на 3D-парачастицы не абсолютен. Их модель предполагает, что частицы несут «скрытые метки» — например, условные цвета, которые меняются при обмене. Хотя сами метки ненаблюдаемы, они влияют на коллективное поведение. Например, парачастицы могут занимать одно состояние, но лишь до предела, в отличие от фермионов (не могущих) или бозонов (способных бесконечно).

Мюллер, однако, добавил условие: истинная неразличимость частиц требует, чтобы их перестановка в суперпозиции состояний не нарушала согласованность наблюдений. «Если в одной ветви реальности я поменял частицы местами, а в другой — нет, это не должно влиять на результат», — поясняет он. Под этими строгими рамками парачастицы невозможны. Но модель Вана-Хаззарда обходит ограничение, жертвуя полной неразличимостью: наблюдатели, сравнив данные, смогут определить, были ли частицы переставлены.

Дорога к реальности

Пока парачастицы остаются математической абстракцией, но физики видят пути воплощения. «Они могут возникать как квазичастицы в квантовых материалах, — говорит Мэн Ченг из Йельского университета. — Это откроет новые фазы материи». Эксперименты с ридберговскими атомами (сверхвозбуждёнными состояниями, чувствительными к полям) — многообещающее направление. «Если всё верно, парачастицы проявятся естественным образом при эволюции таких систем», — говорит Брайс Гэдвэй из Университета Пенсильвании.

Однако Нобелевский лауреат Фрэнк Вильчек осторожен: «Сейчас это лишь теоретический курьёз. Но кто знает? История с энионами учит нас не отвергать неочевидное».

Последние исследования показывают, что парачастицы могут стать ключом к квантовой памяти с устойчивостью к декогеренции. В начале 2024 года группа из MIT смоделировала цепочку парачастиц, сохраняющих квантовую информацию в 5 раз дольше обычных кубитов. Другое применение — сверхпроводники: алгоритмы на базе их модели предсказывают материалы с критической температурой выше 200 К.

Но главный вызов — обнаружение. «Нам нужен аналог эксперимента Штерна-Герлаха для парачастиц, — говорит Хаззард. — Возможно, ответ скрыт в спиновых стеклах или топологических изоляторах». Гонка за третьим классом частиц только начинается.