物理学者は伝統的に、私たちの三次元宇宙にあるすべての素粒子をボ粒子とフェルミ粒子の 2 つのカテゴリに分類してきました。ボソンには主に光子などの力を運ぶ粒子が含まれますが、フェルミ粒子は電子、陽子、中性子などの通常の物質を構成します。
この単純な分割は、低次元のシステムでは崩れ始めます。 1970 年代以来、科学者たちは、ボソンとフェルミオンの間に位置するクリオンとして知られる 3 番目のタイプの粒子の存在を予測してきました。 2020年、研究者らは、冷却され、強く磁化された、原子1個の厚さ（つまり二次元）の半導体の境界にあるこれらの異常な粒子を実験的に観察した。
今回、沖縄科学技術大学（OIST）とオクラホマ大学の科学者たちは、このアイデアをさらに推進しました。に掲載された 2 つの記事で、 身体検査研究チームは、あらゆる人をサポートできる一次元システムを特定し、粒子の理論的挙動を研究しました。
超低温原子系内の個々の粒子の制御における最近の進歩により、これらのアイデアが実際の実験室実験でテスト可能になる可能性もあります。
「私たちの宇宙のすべての粒子は、ボ粒子かフェルミ粒子の 2 つのカテゴリにきちんと当てはまるようです。なぜ他の粒子がないのでしょうか?」 OIST量子システムユニットのトーマス・ブッシュ教授は尋ねます。 「これらの研究により、私たちは量子の世界の基本的性質の理解を改善するための扉を開いたので、理論物理学と実験物理学が私たちをここからどこへ連れて行ってくれるのかを見るのは非常にエキサイティングです。」
なぜ量子粒子は 2 つのグループに分けられるのか
ボー粒子とフェルミ粒子の区別は、2 つの同一の粒子が入れ替わったときに何が起こるかによって決まります。 3D では、実験では 2 つの結果しか示されません。システムは変化しないままである (これはボソンの挙動です)、またはシステムの符号が反転する (これはフェルミ粒子で起こることです) かのどちらかです。他に選択肢はないようです。
この動作は、量子物理学の最も重要な原理の 1 つである区別不能性に関連しています。日常生活においても、2 つの同一の物体を区別することができます。たとえば、2 つのビー玉が異なる色で塗装されている場合、どちらがどこに行ったかを追跡できます。量子粒子はそのようには機能しません。
電子などの 2 つの同一の粒子は、それらの量子特性がすべて一致する場合、別々にラベル付けすることはできません。それらを置き換えると、元の状態と物理的に区別できない状態が生成されます。これは、システムの測定可能な特性が変化しないことを意味します。
OISTユニットの博士課程学生であるラウル・ヒダルゴ＝サコト氏は、「この交換は何もしないことと同じなので、交換係数として知られるこの事象を支配する数学的統計は、単純なルールに従わなければなりません。交換係数の二乗は1に等しくなければなりません。このルールを満たす唯一の2つの数値は+1と1です。そのため、ボソン1は1を尊重しなければなりません。あるいは、その係数が適用されるフェルミ粒子は、 -1。」
これら 2 つの粒子ファミリーは、まったく異なる動作をします。ボソンは自然に集まり、集団的に行動します。レーザーはその一例で、同じ波長（色）の光子が同期して移動します。ボース・アインシュタイン凝縮は異なり、極度に冷たい原子が同じ量子状態を占めています。
フェルミオンは逆の動作をします。電子、陽子、中性子は、同じ状態を共有することに反対します。この性質は、周期表に非常に多くの異なる元素が含まれている理由の 1 つです。
低次元が量子規則をどのように変えるか
自然が 3 次元で 2 種類の粒子しか許容しないのであれば、なぜ低次元では異なるものが生成できるのでしょうか?
答えは、粒子が互いに動き回る方法にあります。低次元のシステムでは、粒子の可能な経路が少なくなります。彼らが場所を変えるにつれて、彼らの軌跡は時空を超えてつながっていきます。 3D とは異なり、これらのパスを後で単純に解くことはできません。その結果、置き換えられた状態は元の状態と等しくなくなります。
Hidalgo-Sacoto 氏は続けます。「低次元では、この交換はトポロジー的に何もしないことともはや等価ではありません。識別不能の法則を維持するには、パスの正確な畳み込みに応じて、交換を説明するために連続範囲にわたる交換係数が必要です。」
これにより、交換係数が 1 またはちょうど -1 を超える値を取ることができるあらゆる粒子への扉が開かれます。言い換えれば、それらは純粋なボソンでも純粋なフェルミ粒子でもありません。
それぞれ一次元で調整可能
最近発表された研究で、研究者らは、一次元系であってもボソンとフェルミ粒子の分裂が壊れたままであることを実証した。彼らはまた、特に興味深いことを発見しました。1D システムの交換係数は直接調整できるということです。
1 つの次元では、粒子が互いに移動して位置を切り替えることはできません。代わりに、相互に直接通過する必要があります。研究者らによると、これにより、高次元と比較して交換の動作が大幅に変化します。
研究では、これらの系の交換係数が粒子の短距離相互作用の強さに関係していることが示されています。これは、科学者が実験的に交換統計を調整し、幅広い新しい量子現象を探索する機会を生み出すことができることを意味します。
「私たちはそれぞれの一次元の存在の可能性を特定しただけでなく、それらの交換統計がどのようにマッピングできるか、そして驚くべきことに、それらの性質が運動量分布を通じてどのように観察できるかを示しました」とブッシュ教授は結論づけています。 「これらの観測を行うために必要な実験装置はすでに存在しています。私たちは、この領域で将来どのような発見がなされるのか、そしてそれが私たちの宇宙の基本物理学について何を教えてくれるのかを楽しみにしています。」
