物理学者は長い間、すべての素粒子を二つのきれいな箱に分類してきた：ボソン（光子のような力を運ぶ粒子）とフェルミオン（電子、陽子、中性子のような物質を作る粒子）。それはまるでフォルダが二つしかないファイルキャビネットのような、すっきりしたシステムだった。しかし、自然はどうやら溜め込み屋で、低次元に第三のカテゴリーを隠していたのだ。

1970年代から、科学者たちはエニオンの存在を予測してきた。それはボソンでもフェルミオンでもなく、その中間の粒子だ。2020年、研究者たちはついに、超冷却され、強く磁化された、原子一層の厚さ（二次元）の半導体の端で、これらのルール破りを観測した。今度は、沖縄科学技術大学院大学（OIST）とオクラホマ大学の科学者たちが、その概念をさらに奇妙な領域、一次元システムに押し進めた。

Physical Review Aに掲載された2本の論文で、研究チームはエニオンをホストできる1次元システムを特定し、その理論的な振る舞いを概説した。超低温原子システム内の個々の粒子を制御する最近の進歩により、これらのアイデアは、黒板と眉をひそめるだけの思考実験ではなく、実際の実験室でテスト可能になるかもしれない。

「私たちの宇宙のすべての粒子は、ボソンかフェルミオンの二つのカテゴリーに厳密に当てはまるように見えます。なぜ他にないのでしょうか？」とOIST量子システムユニットのトーマス・ブッシュ教授は問いかける。「これらの研究により、量子世界の基本的な性質の理解を深める扉が開かれました。理論物理学と実験物理学がここからどこへ向かうのか、とても楽しみです。」

ボソンとフェルミオンの区別は、二つの同一粒子が入れ替わるときに何が起こるかから来る。三次元では、実験は二つの結果しか示さない：システムが同じままか（ボソン）、符号が反転するか（フェルミオン）だ。他の選択肢はない。この振る舞いは、量子物理学の最も苛立たしい原理、識別不可能性に関係している。異なる色を塗って区別できるビー玉とは違い、電子のような同一の量子粒子は、すべての量子特性が一致している場合、個別にラベル付けできない。それらを入れ替えると、元の状態と物理的に区別できない状態が生じる。

OISTユニットの博士課程学生、ラウル・イダルゴ＝サコトは説明する：「この交換は何もしないことと等価であるため、交換因子として知られるイベント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：交換因子の二乗は1に等しくなければならない。このルールを満たす数は+1と-1の二つだけです。だからすべての粒子は、それぞれ因子が1のボソンか、因子が-1のフェルミオンでなければならないのです。」

これら二つの族は非常に異なる振る舞いをする。ボソンは自然に集まり、集団的に行動する。レーザー（同じ波長の光子が同期して動く）は古典的な例であり、ボース＝アインシュタイン凝縮もそうだ。フェルミオンは同じ状態を共有することを嫌う。これが周期表にこれほど多くの元素がある理由の一つだ。（多様性をありがとう、フェルミオン。）

では、なぜ低次元で異なるものが生じるのか？低次元システムでは、粒子が交換するときに取れる経路が少ない。それらの軌跡は時空を通じて編み合わされ、三次元とは異なり、その後単純に解きほぐすことはできない。その結果、交換された状態はもはや元の状態と等価ではなくなる。

イダルゴ＝サコトは続ける：「低次元では、この交換はもはや何もしないことと位相的に等価ではありません。識別不可能性の法則を満たすためには、経路の正確なねじれや曲がりに依存して、連続的な範囲の交換因子が必要になります。」これがエニオンの扉を開く。エニオンの交換因子は+1や-1を超えた値を取ることができる。それらは純粋なボソンでもフェルミオンでもない。量子の非順応者なのだ。

新たに発表された研究で、研究者たちはボソンとフェルミオンの区分が一次元でも破られていることを実証した。