Parapartiküller: Kuantum Dünyasında Üçüncü Bir Parçacık Türü Mümkün mü?

Kuantum mekaniği, uzun bir süredir parçacıkları yalnızca iki ayrı türde sınıflandırmaktadır: fermiyonlar ve bozonlar.

Ancak ABD’deki Rice Üniversitesi’nden fizikçiler, matematiksel olarak bakıldığında üçüncü bir türün de mümkün olabileceğini keşfettiler. “parapartiküller” olarak adlandırılan bu yeni tür, kimsenin daha önce düşünmediği temel parçacıkların varlığını ima edebilir.

“Elde ettiğimiz sonuçlar, daha önce hiç bilmediğimiz yeni türde parçacıkların mümkün olduğunu gösteriyor,” diyor teoriyi formüle eden Kaden Hazzard. Hazzard ve makale ortağı Zhiyuan Wang, fermiyon ya da bozon olmayan nesnelerin bilinen fizik yasalarını ihlal etmeden fiziksel gerçeklikte var olabileceğini ortaya koydu.

Fermiyonlar, elektronlar ve kuarklar gibi atomları ‘inşa eden’ temel parçacıkları içerir. Daha spesifik olarak, aynı kuantum durumunu paylaşmalarını engelleyen bir özelliğe sahiptirler; bu da aynı özelliklere sahip iki fermiyonun aynı alanı dolduramayacağı anlamına gelir.

“Bu davranış, periyodik tablonun tüm yapısından sorumludur,” diyor Hazzard. “Ayrıca oturduğunuzda sandalyenizin içinden geçmemenizin sebebidir.”

Bozonlar ise bu özellikten farklı bir ölçüye sahiptir; bu, onların koridorda hayaletler gibi birbirlerinin içinden geçmelerine olanak tanır.

Tipik olarak fotonlar ve gluonlar gibi kuvvet taşıyıcıları olarak işlev gören bozonlar, fermiyonları protonlardan kirpilere, patateslere ve gezegenlere kadar her şeye dönüştüren etkileşimleri sağlar.

Ancak kuantum durumu ayrışmasının bu katı kuralına bir istisna vardır. Sadece iki boyutla sınırlı bazı malzemeler, fermiyonlar ve bozonlardan beklenen istatistik yasalarını ihlal eden, kuantum durumlarının benzersiz bir şekilde değiş tokuş edilmesine olanak tanıyan parçacık benzeri bir davranış sergileyebilir.

Bu tür davranışlara sahip olanlara “anyonlar” denir, ancak bu teknik boşluklar evrenimizin üç boyutlu alanına uzanamazlar ve bu nedenle henüz keşfetmediğimiz gerçek temel parçacıklar tarafından temsil edilme olasılıkları düşüktür. Yeni bir kuantum donanım türünden ziyade, daha çok ön tezgâhtan alabileceğiniz bir hatıra anahtarlık gibidirler.

Yine de bu durum, teorik fizikçileri varsayımsal parçacıkların kuantum tanımlarını kurcalamaktan alıkoymamıştır. “parastatistik” adı verilen bir alanda çalışan fizikçiler, fermiyonlar ve bozonların gerçekten her şey olup olmadığını ve eğer öyleyse neden böyle olduğunu anlamaya çalışır.

Parastatistik, 20. yüzyılın başlarından itibaren geliştirilmesine rağmen, fermiyon veya bozon sınıflandırmalarına sığmayan bir şey bulmayı başaramadı. Zamanla kuantum teorileri geliştikçe, parastatistik yoluyla geliştirilen herhangi bir teorinin yalnızca fermiyonlar ve bozonların olduğu bir evrenden ayırt edilemez olacağı giderek daha net hale geldi.

Ancak Wang ve Hazzard, bu görüşe katılmamaları için bir neden bulduklarını düşünüyorlar. Önceki yöntemlerden farklı olarak ikinci bir kuantizasyon adımı ekleyerek, malzemelerdeki kolektif davranışların, bizimkine oldukça benzeyen üç boyutlu bir evrende köşeleri dönerken bile anyonlar gibi davranabilen parçacıkların ortaya çıkmasına neden olabileceğini gösterdiler.

Bu konsept, tamamen yeni bir parçacık sınıfına giden yolu haritalandırmaktan çok uzaktır; yalnızca bu olasılığın kapısını tamamen kapatmamak gerektiğini göstermektedir.

“Parapartikülleri deneylerde gerçekleştirebilmek için daha gerçekçi teorik önerilere ihtiyacımız var,” diyor Wang.

Yine de kuantum fiziğinin Standart Model Donanımı’nın genel görelilik için bir çözüm sunmadığı ve karanlık madde ile karanlık enerjinin gizemli doğası için herhangi bir yer ayırmadığı düşünüldüğünde, genişleme planlarına sahip olmak faydalıdır.

Bu araştırma Nature dergisinde yayımlanmıştır.