Cząstki przechodzą do lustrzanego świata. Uczeni wreszcie zrozumieli, co się z nimi dzieje

Problem, o którym mówimy, sięga lat 80., kiedy Curtis Callan i Walery Rubakow analizowali zachowanie elektrycznie naładowanej cząstki rozpraszającej się na hipotetycznym magnetycznym monopolu. W obliczeniach stan wychodzący wydawał się nieobecny w standardowym opisie teorii. Przez lata fizycy podejrzewali, że nie znika on naprawdę, lecz trafia do bardziej egzotycznego, skręconego sektora teorii. Nowe badanie pokazuje, jak może wyglądać taki proces.

Czytaj też: Fizyka kwantowa stała się jeszcze bardziej szalona. Podwójny kondensat Bosego-Einsteina powstał w nieważkości! 

Naukowcy wykorzystali model oparty na łańcuchu kwantowych spinów i skierowali pakiet falowy w stronę defektu dualności. Okazało się, że cząstka nigdy się od niego nie odbija. Za każdym razem przechodzi na drugą stronę, ponieważ topologiczny charakter defektu nie pozwala traktować go jak zwykłej fizycznej przeszkody.

Najciekawsze dzieje się jednak po przejściu przez granicę. Cząstka nie zachowuje swojej pierwotnej postaci. Zamiast zwykłego, lokalnego wzbudzenia pojawia się nielokalny obiekt związany z niewidzialną “struną” rozciągającą się aż do defektu. Badacze porównują ten stan do mgły: czegoś rozmytego i rozciągniętego, ale wciąż będącego częścią tego samego procesu kwantowego.

Kluczową rolę odgrywa tutaj dualność Kramersa-Wanniera, która pozwala opisywać ten sam układ fizyczny na dwa różne sposoby. Jak wyjaśniają naukowcy, nie można zastosować takiej dualności po prostu do pojedynczej cząstki. Dotyczy ona całego układu, dlatego przekroczenie defektu może prowadzić do zmiany charakteru wzbudzenia.

Badacze wykorzystali również rozwijane od lat metody oparte na sieciach tensorowych. W ich opisie defekt posiada własną, ukrytą przestrzeń kwantową, która wpływa zarówno na sposób przechodzenia cząstki, jak i na jej stan po drugiej stronie. Oznacza to, iż defekt nie jest wyłącznie abstrakcyjną konstrukcją matematyczną, lecz posiada własne stopnie swobody, które można analizować.

Czytaj też: Wrota do niewyobrażalnego. Odkryto galaktyki z mackami kształtującymi cały Wszechświat

Co ważne, zaproponowany model można potencjalnie odtworzyć na współczesnych platformach do symulacji kwantowej. W grę wchodzą między innymi układy wykorzystujące ultrazimne atomy, uwięzione jony oraz procesory nadprzewodzące. Autorzy pracy liczą, że w przyszłości pozwoli to bezpośrednio zaobserwować sytuację, w której cząstka przekracza topologiczną granicę i zmienia swoją “tożsamość”.

Źródło: Nature Physics