До настоящего времени ученые полагали, что в трехмерном пространстве могут существовать лишь бозоны и фермионы.
В разгар пандемии 2021 года аспирант Университета Райса Чжиюань Ван, спасаясь от однообразия, занялся необычной математической задачей. Она выглядела абстрактной, но ее уравнения описали поведение частиц, которые не похожи ни на обычные частицы материи — фермионы, ни на переносчики взаимодействий — бозоны. Так началась история третьего класса частиц — парачастиц, которые, по мнению Вана и его научного руководителя Кадена Хаззарда, могут теоретически существовать и даже формировать новые, экзотические состояния вещества.
В 2024 году, будучи постдоком в Институте квантовой оптики Макса Планка в Германии, Ван совместно с Хаззардом опубликовал свою работу, в которой описал парачастицы как потенциальную физическую реальность. Исследование вызвало интерес научного сообщества, так как оно ставит под сомнение устоявшиеся представления о фундаментальной структуре природы. Ранее считалось, что в трехмерном пространстве возможно лишь два типа элементарных частиц: фермионы, которые не могут находиться в одном квантовом состоянии (из-за принципа исключения Паули), и бозоны, которые, наоборот, могут «собираться в кучу», как фотоны в лазере.
Парачастицы, если они действительно существуют, занимают промежуточное положение: они могут делить одно квантовое состояние, но не бесконечно — лишь ограниченным числом. Это открывает возможности для абсолютно новых квантовых фаз вещества и физики, которая ранее считалась невозможной. Тем не менее с времени появления DHR-теорем в 1970-х парачастицы были практически вытеснены из внимания ученых: согласно этим теоремам, при определенных условиях, включая локальность и трехмерность пространства, возможны только бозоны и фермионы.
Исследование Вана и Хаззарда аккуратно обходит эти ограничения. Ученые продемонстрировали, что парачастицы могут существовать, если не придерживаться определенных предпосылок DHR-теорем — в особенности концепции полной неразличимости частиц в квантовой суперпозиции. В новой модели парачастицы имеют скрытые внутренние свойства, которые нельзя измерить напрямую, но которые изменяются при перестановке частиц. В качестве аналогии можно представить, что эти свойства — цвета частиц, которые меняются при их перемещении, например, с красного и синего на зеленый и желтый. Эти незаметные изменения делают физику парачастиц более сложной и богатой, чем классическое разделение на бозоны и фермионы.
Почти одновременно с публикацией Вана и Хаззарда другой физик, Маркус Мюллер из Института квантовой оптики и квантовой информации в Вене, независимо подошел к теме парачастиц с другой стороны. Его группа изучала, какие частицы могут существовать в природе, учитывая уникальные свойства квантовой суперпозиции и способы, которыми различные наблюдатели могут описывать одну и ту же систему. Предварительный вывод — если частицы должны быть абсолютно неразличимыми в любой возможной ветви квантовой реальности, то парачастицы невозможны. Однако модель Вана изначально не предполагала строгую неразличимость, что дало ей «выход за рамки» традиционной теории.
