Elk fundamenteel deeltje in het universum behoort tot een van de twee groepen, de zogeheten fermionen en bosonen. Maar nu lijkt het erop dat er ook deeltjes kunnen bestaan die deze classificatie doorbreken. Eerder dachten natuurkundigen dat dat onmogelijk was.
Een groep deeltjes waar lang over is nagedacht, maar waarvan werd vermoed dat die in de praktijk niet kan bestaan, bestaat misschien toch. Dat stellen natuurkundigen in een publicatie in het wetenschappelijke tijdschrift Nature.
Het gaat om zogeheten paradeeltjes. Op een dag zouden deze deeltjes exotische toepassingen kunnen hebben – mits we er ooit in slagen om ze te detecteren.
‘Einstein liep als theoreticus vast op de nieuwe bevindingen’
Toen de Nederlandse natuurkundige Heike Kamerlingh Onnes iets geks ontdekte over supergeleiding, was dit onder veel fysici het gesprek van de dag. Maa ...
Twee groepen
De bekende fundamentele deeltjes worden ingedeeld in een van de twee groepen: fermionen en bosonen. Het verschil heeft te maken met wat er gebeurt als twee deeltjes in dezelfde groep van plaats verwisselen. Het verwisselen van bosonen, zoals fotonen, verandert hun gezamenlijke quantumgolffunctie niet (de golffunctie is een volledige wiskundige beschrijving van hun eigenschappen). Maar als je twee fermionen verwisselt, bijvoorbeeld elektronen, verandert hun golffunctie van teken (positief wordt negatief en andersom).
Dit schijnbaar simpele verschil heeft grote gevolgen. Het betekent bijvoorbeeld dat er oneindig veel bosonen in dezelfde ruimte mogen zitten. Dit is het principe waarmee lasers werken, die veel fotonen opstapelen om extreem hoge energieën te bereiken. Fermionen daarentegen moeten altijd gescheiden blijven in de ruimte. Dit zorgt ervoor dat neutronensterren en atomen stabiel blijven.
Paradeeltjes
In de jaren 1950 kwam de Britse natuurkundige Herbert Green met een ingewikkelder model voor het verwisselen van deeltjes. Bij dit model, parastatistiek genaamd, kan de quantumgolffunctie op andere manieren worden veranderd dan alleen van teken wisselen.
Green toonde aan dat dit betekende dat er veel nieuwe klassen van deeltjes konden bestaan. Hij noemde die parabosonen en parafermionen. Hierbij zou slechts een bepaald aantal deeltjes in dezelfde toestand kunnen bestaan, in plaats van slechts één of juist oneindig veel.
Natuurkundigen die Greens idee nader onderzochten, ontdekten dat deze paradeeltjes zich in metingen niet anders zouden gedragen dan gewone fermionen of bosonen. Daardoor leek de theorie onmeetbaar, en dus in de praktijk irrelevant.
Gewaagd
Nu hebben natuurkundigen Zhiyuan Wang en Kaden Hazzard van Rice-universiteit in de VS ontdekt dat paradeeltjes wel degelijk detecteerbaar zijn. ‘Ons artikel bewijst voor het eerst dat er meer bestaat dan alleen fermionen en bosonen’, zegt Wang.
Het duo kwam eerst met een nieuwe wiskundige beschrijving van paradeeltjes, met strengere regels dan eerdere definities, zoals de eis dat informatie niet sneller dan het licht kan reizen. Vervolgens toonden ze aan dat er specifieke quantumsystemen bestaan waarin deze paradeeltjes als trillingen tevoorschijn komen, en dus fysiek detecteerbaar zijn.
‘Het is heel gewaagd, want iedereen neemt het voor waar aan dat parastatistieken niet fysisch zijn, werkt daarmee en omzeilt zo het onderwerp’, zegt natuurkundige Jiannis Pachos van de Universiteit van Leeds in het Verenigd Koninkrijk. ‘Maar zij zijn teruggegaan naar de tekentafel, en hebben bewezen dat ze wel kunnen bestaan. Dat is fantastisch.’
In de buurt van de werkelijkheid
Niet iedereen is echter overtuigd. ‘Het is een interessante bevinding, maar het is niet duidelijk hoe gemakkelijk dit in de natuur te realiseren is’, zegt natuurkundige Paul Fendley van de Universiteit van Oxford in het Verenigd Koninkrijk. Het waarnemen van deze deeltjes vereist een vooruitgang in ons vermogen om quantumtoestanden te beheersen die waarschijnlijk nog vele jaren op zich laat wachten, zegt hij. ‘Het is een proof of principle, maar het principe gaat niet over iets dat, op dit moment althans, ook maar in de buurt van de werkelijkheid komt.’
Een beperking van het onderzoek is dat het tweetal tot nu toe alleen heeft aangetoond dat paradeeltjes kunnen bestaan in één of twee dimensies, hoewel niets hun bestaan in drie dimensies uitsluit. Een ander probleem is dat de paradeeltjes die Wang en Hazzard voorstellen eigenlijk quasideeltjes zijn. Dat betekent dat het geen fundamentele deeltjes zijn zoals elektronen of fotonen, maar in plaats daarvan collectieve trillingen die zich gedragen alsof ze één deeltje zijn. Wang en Hazzard speculeren ook dat paradeeltjes kunnen bestaan als werkelijke deeltjes, omdat de wiskunde dat niet uitsluit, maar ze hebben geen concreet idee over waar of hoe ze dan kunnen opduiken.
Spannend en exotisch
Het is niet duidelijk of deze paradeeltjes, als ze ooit worden waargenomen, enig praktisch nut hebben. Maar een ander soort quasideeltje dat in twee dimensies is waargenomen, het anyon, kan nuttig zijn voor quantumcomputers, vanwege de unieke eigenschap dat het een geheugen heeft voor verwisselingen met andere anyonen.
‘We hebben op dit moment geen duidelijke toepassing voor paradeeltjes. Het is gewoon iets spannends en exotisch, maar dat is in het verleden genoeg reden gebleken om er onderzoek in te investeren’, zegt Pachos.
