لطالما صنف الفيزيائيون جميع الجسيمات الأولية في صندوقين أنيقين: البوزونات (حاملات القوى مثل الفوتونات) والفيرميونات (بناة المادة مثل الإلكترونات والبروتونات والنيوترونات). كان نظامًا مرتبًا، مثل خزانة ملفات بمجلدين فقط. لكن الطبيعة، كما تبين، هي مكتنزة، وكانت تخفي فئة ثالثة في أبعاد أقل.

منذ السبعينيات، تنبأ العلماء بوجود الأنيونات - جسيمات ليست بوزونات ولا فيرميونات بل شيء بينهما. في عام 2020، رصد الباحثون أخيرًا هذه المخالفة للقواعد على حافة أشباه موصلات فائقة التبريد، شديدة المغنطة، بسماكة ذرة واحدة (ثنائية الأبعاد). الآن، دفع علماء من معهد أوكيناوا للعلوم والتكنولوجيا (OIST) وجامعة أوكلاهوما المفهوم إلى منطقة أغرب: أنظمة أحادية البعد.

في ورقتين بحثيتين نُشرتا في Physical Review A، حدد الفريق نظامًا أحادي البعد يمكنه استضافة الأنيونات ووصفوا سلوكهم النظري. التطورات الحديثة في التحكم بالجسيمات الفردية داخل أنظمة ذرية فائقة البرودة قد تجعل هذه الأفكار قابلة للاختبار في تجارب معملية فعلية - وليس مجرد تجارب فكرية تتضمن سبورات وجبينًا متجعدًا.

"يبدو أن كل جسيم في كوننا يتناسب بدقة مع فئتين: بوزونية أو فيرميونية. لماذا لا توجد أخرى؟" يسأل البروفيسور توماس بوش من وحدة الأنظمة الكمومية في OIST. "بهذه الأعمال، فتحنا الآن الباب لتحسين فهمنا للخصائص الأساسية للعالم الكمومي، ومن المثير جدًا رؤية أين تأخذنا الفيزياء النظرية والتجريبية من هنا."

الفرق بين البوزونات والفيرميونات يأتي مما يحدث عندما يتبادل جسيمان متطابقان الأماكن. في ثلاثة أبعاد، تظهر التجارب نتيجتين فقط: إما أن يبقى النظام كما هو (بوزونات) أو ينعكس الإشارة (فيرميونات). لا خيارات أخرى. هذا السلوك يرتبط بأكثر مبادئ الفيزياء الكمومية إزعاجًا: عدم التمييز. على عكس الكرات الرخامية - التي يمكنك طلاؤها بألوان مختلفة لتتبعها - لا يمكن تمييز الجسيمات الكمومية المتطابقة مثل الإلكترونات بشكل فردي إذا تطابقت جميع خصائصها الكمومية. مبادلتها تنتج حالة لا يمكن تمييزها فيزيائيًا عن الأصلية.

يشرح راؤول هيدالغو-ساكوتو، طالب دكتوراه في وحدة OIST: "لأن هذا التبادل يعادل عدم فعل شيء، فإن الإحصائيات الرياضية التي تحكم الحدث، المعروفة بعامل التبادل، يجب أن تتبع قاعدة بسيطة: مربع عامل التبادل يجب أن يساوي 1. الرقمان الوحيدان اللذان يحققان هذه القاعدة هما +1 و -1. لهذا السبب يجب أن تكون جميع الجسيمات، على التوالي، بوزونات، حيث العامل هو 1، أو فيرميونات، حيث العامل هو -1."

تتصرف هاتان العائلتان بشكل مختلف تمامًا. البوزونات تتجمع معًا بشكل طبيعي وتتصرف بشكل جماعي - الليزر، حيث تتحرك فوتونات من نفس الطول الموجي بشكل متزامن، هو مثال كلاسيكي، وكذلك مكثفات بوز-آينشتاين. الفيرميونات تقاوم مشاركة نفس الحالة، وهو أحد أسباب وجود العديد من العناصر في الجدول الدوري. (شكرًا، فيرميونات، على التنوع.)

فلماذا يمكن للأبعاد الأقل إنتاج شيء مختلف؟ في الأنظمة ذات الأبعاد الأقل، يكون للجسيمات مسارات أقل ممكنة عندما تتبادل الأماكن. تصبح مساراتها مضفرة معًا عبر المكان والزمان، وعلى عكس الأبعاد الثلاثة، لا يمكن فك تشابك تلك المسارات ببساطة بعد ذلك. ونتيجة لذلك، لم تعد الحالة المتبادلة مكافئة للحالة الأصلية.

يواصل هيدالغو-ساكوتو: "في الأبعاد الأقل، لم يعد هذا التبادل مكافئًا طوبولوجيًا لعدم فعل شيء. لإرضاء قانون عدم التمييز، نحتاج إلى عوامل تبادل على مدى مستمر لمراعاة التبادل، اعتمادًا على التقلبات والانعطافات الدقيقة للمسارات." وهذا يفتح الباب أمام الأنيونات، التي يمكن أن تأخذ عوامل تبادلها قيمًا تتجاوز +1 أو -1 فقط. إنها ليست بوزونات نقية ولا فيرميونات نقية - إنها غير ممتثلة كموميًا.

في الدراسات المنشورة حديثًا، أظهر الباحثون أن الانقسام بين البوزون والفيرميون يظل مكسورًا حتى في بعد واحد.