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Anyons: il terzo regno delle particelle

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Ogni particella nell’universo, da un raggio cosmico a un quark, è un fermione o un bosone. Queste categorie dividono gli elementi costitutivi della natura in due regni distinti. Ora i ricercatori hanno scoperto i primi esempi di un terzo regno di particelle.

Gli anyons, come sono conosciuti, non si comportano né come fermioni né come bosoni; il loro comportamento è da qualche parte nel mezzo. In un recente articolo pubblicato su Science, i fisici hanno trovato la prima prova sperimentale che queste particelle non rientrano in nessuno dei due regni. “Avevamo bosoni e fermioni, e ora abbiamo questo terzo regno”, ha detto Frank Wilczek, fisico vincitore del premio Nobel presso il Massachusetts Institute of Technology. “È assolutamente una pietra miliare.”

Cos’è un Anyon?

Per comprendere i regni quantici, pensa a un disegno di anelli. Immagina due particelle indistinguibili, come gli elettroni. Prendine uno, quindi avvolgilo intorno all’altro in modo che torni dove è iniziato. Nulla sembra essere cambiato. E infatti, nel linguaggio matematico della meccanica quantistica, le due funzioni d’onda che descrivono gli stati iniziale e finale devono essere uguali o sfasate di un fattore -1. (Nella meccanica quantistica, si calcola la probabilità di ciò che si osserva elevando al quadrato questa funzione d’onda, quindi questo fattore di -1 si annulla).

Se le funzioni d’onda sono identiche, le tue particelle quantistiche sono bosoni. Se sono fuori di un fattore -1, sono fermioni. E sebbene la derivazione possa sembrare un esercizio puramente matematico, ha profonde conseguenze fisiche.

I fermioni sono i membri antisociali del mondo delle particelle. Non occupano mai lo stesso stato quantico. Per questo motivo, gli elettroni, che sono fermioni, vengono forzati nei vari gusci atomici attorno a un atomo. Da questo semplice fenomeno deriva la maggior parte dello spazio in un atomo, la sorprendente varietà della tavola periodica e tutta la chimica.

I bosoni, d’altra parte, sono particelle gregarie, felici di raggrupparsi e condividere lo stesso stato quantico. Quindi i fotoni, che sono bosoni, possono attraversarsi l’un l’altro, consentendo ai raggi di luce di viaggiare senza impedimenti piuttosto che disperdersi.

Ma cosa succede se, quando si avvolge una particella quantistica attorno a un’altra, non si torna allo stesso stato quantistico? Per comprendere questa possibilità occorre fare una breve digressione sulla topologia, lo studio matematico delle forme. Due forme sono topologicamente equivalenti se una può essere trasformata nell’altra senza alcun taglio o incollaggio. Una ciambella e una tazza da caffè, dice un vecchio proverbio, sono topologicamente equivalenti, perché l’una può essere modellata dolcemente e continuamente nell’altra.

Considera il ciclo che abbiamo creato quando abbiamo ruotato una particella intorno all’altra. In tre dimensioni, puoi ridurre il ciclo fino a un punto. Topologicamente parlando, è come se la particella non si fosse affatto mossa.

In due dimensioni, tuttavia, il ciclo non può ridursi. Si blocca sull’altra particella. Non puoi restringere il ciclo senza tagliarlo nel processo. A causa di questa restrizione, che si trova solo in due dimensioni, avvolgere una particella intorno a un’altra non equivale a lasciare la particella nello stesso posto.

Abbiamo bisogno di una terza possibile particella: anyons. Poiché le loro funzioni d’onda non sono limitate alle due soluzioni che definiscono fermioni e bosoni, queste particelle sono libere di non essere nessuna delle due, ma qualsiasi cosa nel mezzo. Quando Wilczek ha coniato per la prima volta il termine anyon, è stato un suggerimento ironico che tutto va bene.

L’esperimento

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“L’argomento topologico è stata la prima indicazione che questi anyons potrebbero esistere”, ha affermato Gwendal Fève, un fisico dell’Università Sorbona di Parigi che ha guidato il recente esperimento. “Ciò che restava da trovare erano i sistemi fisici”.

Quando gli elettroni sono limitati al movimento in due dimensioni, raffreddati quasi allo zero assoluto e sottoposti a un forte campo magnetico, iniziano ad accadere cose molto strane. All’inizio degli anni ’80, i fisici hanno usato per la prima volta queste condizioni per osservare l'”effetto Hall quantistico frazionario“, in cui gli elettroni si uniscono per creare le cosiddette quasiparticelle che hanno una frazione della carica di un singolo elettrone. (Se vi sembra strano chiamare particella il comportamento collettivo degli elettroni, pensate al protone, che è esso stesso composto da tre quark).

Nel 1984, un fondamentale articolo di due pagine di WilczekDaniel Arovas e John Robert Schrieffer mostrò che queste quasiparticelle dovevano essere anyons. Ma gli scienziati non avevano mai osservato un comportamento simile in queste quasiparticelle. Cioè, non erano stati in grado di dimostrare che gli anyon sono diversi dai fermioni o dai bosoni, né si raggruppano né si respingono completamente l’un l’altro.

Questo è ciò che fa il nuovo studio. Nel 2016, tre fisici hanno descritto una configurazione sperimentale che assomiglia a un minuscolo collisore di particelle in due dimensioni. Fève e i suoi colleghi hanno costruito qualcosa di simile. Misurando le fluttuazioni delle correnti nel collisore, sono stati in grado di dimostrare che il comportamento degli anyons corrisponde esattamente alle previsioni teoriche.
“Tutto si adatta alla teoria in modo così unico, non ci sono domande”, ha detto Dmitri Feldman, un fisico della Brown University che non è stato coinvolto nel recente lavoro. 

“Ci sono state molte prove per molto tempo”, ha affermato Wilczek. “Ma se chiedi: c’è un fenomeno specifico che puoi indicare e dire che gli anyons sono responsabili di quel fenomeno e non puoi spiegarlo in nessun altro modo? Penso che questo sia chiaramente a un livello diverso”.




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