En el mundo cuántico, el universo se rige por reglas tan extrañas que hasta sus componentes más pequeños desafían a menudo la intuición. Ahora, un equipo de físicos de la Universidad Rice y del Max Planck sugiere algo aún más sorprendente: podría haber partículas que desafíen la dicotomía tradicional de fermiones y bosones, negándose a encajar perfectamente en cualquiera de las dos. Su estudio desafía un principio fundamental de la mecánica cuántica y señala la posible existencia de “parapartículas”, una categoría que durante mucho tiempo se consideró imposible.
La división cuántica: bosones, fermiones y más allá
Durante casi un siglo, los físicos han confiado en una distinción simple para categorizar las partículas. Los bosones, como los fotones, se apilan felizmente en el mismo estado cuántico, lo que permite fenómenos como los láseres y la superfluidez. Los fermiones, como los electrones, por otro lado, son lobos solitarios. Gobernados por el principio de exclusión de Pauli, se niegan a compartir un estado cuántico, un comportamiento responsable de la estructura de la tabla periódica y la solidez de la materia.
“También es por eso que no atravesamos la silla cuando nos sentamos”, explicó Kaden Hazzard, físico de la Universidad Rice y coautor del estudio.
Pero Hazzard y su colaborador, Zhiyuan Wang, utilizaron matemáticas avanzadas para demostrar que esta visión binaria podría ser incompleta. “Determinamos que son posibles nuevos tipos de partículas que nunca antes habíamos conocido”, dijo Hazzard.
Las parapartículas, teorizadas por primera vez en la década de 1950, han sido una idea tentadora en la mecánica cuántica. Sin embargo, durante décadas se las descartó como curiosidades matemáticas o versiones disfrazadas de bosones y fermiones. Sólo se aceptó una excepción fuera del canon, las cuasipartículas llamadas anyones. Pero los anyones existen solo en el peculiar mundo bidimensional, lo que limita su relevancia física.
El avance de Hazzard y Wang radica en reexaminar los supuestos matemáticos que sustentaban las teorías anteriores. Utilizando herramientas como la ecuación de Yang-Baxter y métodos algebraicos avanzados, demostraron que las parapartículas podrían, en teoría, surgir en sistemas del mundo real.
Los investigadores desarrollaron un nuevo marco matemático conocido como la “segunda cuantificación” de la paraestadística. Este enfoque les permite describir las parapartículas como excitaciones emergentes en ciertos sistemas de espín cuántico. Estos sistemas, construidos en una y dos dimensiones, revelan partículas con propiedades de intercambio que no se pueden reducir a las de los fermiones o los bosones.
“Las parapartículas introducen un nuevo tipo de simetría y principio de exclusión”, escriben los autores. Estas partículas obedecen reglas que dan lugar a comportamientos termodinámicos exóticos. Por ejemplo, exhiben “estadísticas de exclusión generalizadas”, que determinan cuántas partículas pueden ocupar un estado cuántico dado.
¿Parapartículas en la naturaleza?
Este descubrimiento también revive una pregunta de larga data: ¿podrían existir las parapartículas como partículas fundamentales en la naturaleza? Si bien es especulativo, los autores sugieren que su marco podría extenderse a las teorías cuánticas de campos relativistas, lo que sugiere nuevas posibilidades para la física de partículas.
Sin embargo, para esta investigación, en lugar de buscar en la física abstracta de partículas, los investigadores dirigieron su atención a los sistemas de materia condensada, materiales como los imanes, donde surgen excitaciones similares a las de las partículas. “Las partículas no son solo estas cosas fundamentales”, señaló Hazzard. “También son importantes para describir los materiales”.
Al modelar los sistemas de materia condensada, mostraron cómo podrían surgir las parapartículas, que muestran comportamientos extraños nunca antes vistos. A diferencia de los bosones o los fermiones, las parapartículas transforman sus estados internos al intercambiar posiciones, un efecto que no tiene paralelo directo en la mecánica cuántica.
“Estos modelos son el primer paso”, dijo Wang, ahora investigador postdoctoral en el Instituto Max Planck de Óptica Cuántica. Si bien los experimentos para detectar parapartículas siguen siendo un desafío futuro, su descubrimiento podría desbloquear nuevos fenómenos físicos y conducir a innovaciones tecnológicas.
La computación cuántica y los sistemas de información podrían beneficiarse, por ejemplo, al explotar los estados internos únicos de las parapartículas para una comunicación segura. Pero estas aplicaciones siguen siendo especulativas.
Por ahora, la investigación sienta las bases para explorar cómo las parapartículas podrían influir en campos como la información cuántica o el estudio de materiales exóticos. “Para hacer realidad las parapartículas en experimentos, necesitamos propuestas teóricas más realistas”, dijo Wang.
Hazzard sigue siendo optimista. “No sé a dónde irá”, dijo, “pero sé que será emocionante descubrirlo”.
Los hallazgos aparecieron en la revista Nature.
Fuente: ZME Science.
