Физики открыли третий тип квантовых частиц, который не подчиняется правилам трехмерного пространства

Целый век каждая найденная частица принадлежала ровно к одной из двух групп. Физики предполагали, что так будет всегда. Две работы, опубликованные в журнале Physical Review A в феврале 2026 года, описывают третий тип. Он не вписывается ни в одну из двух групп, ведет себя так, как невозможно вести себя в обычном трехмерном мире, и может напрямую настраиваться экспериментатором, который его контролирует.

Две группы, которые считались единственными

Две установленные группы — это бозоны и фермионы. Фотоны, переносящие свет и обеспечивающие работу лазеров, — бозоны. Электроны, протоны и нейтроны, из которых построен каждый атом на Земле, — фермионы. Разница между ними сводится к тому, что происходит, когда две идентичные копии одной и той же частицы меняются местами. Для бозонов ничего не меняется. Для фермионов система переворачивается. Это переворачивание не позволяет двум фермионам никогда занимать одно и то же состояние одновременно. Именно поэтому периодическая таблица насчитывает 118 элементов вместо одного: электроны вынуждены занимать отдельные энергетические оболочки. Эта бинарная система не имела ни одного задокументированного исключения за столетие экспериментальной физики.

Почему трехмерное пространство не оставляет выбора

В трех измерениях математическая бинарность бозонов и фермионов заперта. Когда две одинаковые частицы меняются местами, повторная замена должна вернуть систему точно в исходное состояние. Единственные числа, квадрат которых равен единице, — это плюс единица и минус единица. Каждая частица должна нести одну из них. Промежуточным значениям нет места.

Но стоит понизить количество пространственных измерений, и математическая блокировка ломается. В двух измерениях частицы уже не могут просто обойти друг друга при обмене позициями. Их пути в пространстве и времени переплетаются так, что это невозможно распутать. Поскольку обмен оставляет постоянный след, обменный фактор больше не ограничен плюс или минус единицей. Он может находиться где угодно между этими значениями, порождая частицу, которая не является ни бозоном, ни фермионом, а чем-то средним. Эти промежуточные частицы называются анионами.

В одном измерении ограничения становятся еще жестче. Частицам некуда сворачивать в сторону. Две частицы, движущиеся навстречу друг другу, имеют ровно один вариант — пройти сквозь друг друга. Это столкновение и сила взаимодействия, которая им управляет, напрямую задают обменный фактор. Слабое взаимодействие порождает анион, ведущий себя как бозон. Сильное взаимодействие — как фермион. Каждая промежуточная сила взаимодействия создает свой тип частицы с собственным обменным фактором и набором квантовых свойств.

Как можно управлять этими частицами

В сверхохлажденных атомных системах используется метод, называемый резонансом Фешбаха. Приложенное магнитное поле регулирует силу взаимодействия между двумя атомами с точностью, достаточной для того, чтобы изменять обменный фактор во всем его диапазоне. Экспериментатор может взять газ сверхохлажденных атомов, захваченных вдоль одной оси сфокусированным лазерным лучом, и непрерывно смещать эти атомы от бозоноподобного поведения к фермионоподобному, просто меняя напряженность поля.

Никакого эквивалентного контроля не существует в трехмерной физике, потому что геометрия трех измерений не допускает промежуточных состояний. Это первый случай, когда создана полная теоретическая основа для поддержки такого эксперимента в одном измерении.

Как их распознать

Когда частицы заключены в одном измерении, распределение их скоростей принимает определенную форму. Для бозонов она резко пикирует на нулевом импульсе, потому что бозоны собираются в одно состояние. Для фермионов она плоская и размазанная, потому что фермионы расталкиваются. Анионный газ, находящийся в промежуточном состоянии, дает промежуточное распределение. Инструменты для этих измерений — сверхохлажденные атомные ловушки и системы визуализации времени пролета — работают в исследовательских центрах уже более десяти лет.

Зачем это нужно

Двумерные анионы уже вызвали устойчивый интерес в квантовых вычислениях. Они хранят информацию не в состоянии какой-либо отдельной частицы, а в геометрии переплетения путей множества частиц во времени. Локальные возмущения не могут стереть эту информацию, не изменив всего глобального узора путей. Поэтому топологические квантовые биты, построенные из анионов, гораздо более устойчивы к шуму, который разрушает обычные квантовые процессоры.

Одномерные анионы работают по другим правилам и не могут быть использованы для топологических вычислений в том же смысле. Но понимание их свойств — необходимый шаг к составлению полной картины того, на что способна анионная физика. Прямые экспериментальные наблюдения одномерных анионов еще не сделаны. Но теоретический каркас теперь существует.

Вопрос, который остается: если геометрия пространства определяет, какие частицы могут существовать, то не означает ли это, что наша трехмерная Вселенная — лишь частный случай гораздо более богатой реальности? И сколько еще типов частиц скрываются в измерениях, которые человечество пока не умеет исследовать?