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| Las partículas conocidas como fermiones (mostradas en esta ilustración) no pueden compartir el mismo estado. Roman Andrade 3Dcienca/Fototeca de la Ciencia |
Desde los albores de la mecánica cuántica, los científicos han clasificado las partículas en dos categorías principales: bosones y fermiones, en función de su comportamiento.
Sin embargo, una investigación pionera del físico de la Universidad Rice Kaden Hazzard y el antiguo estudiante de posgrado Zhiyuan Wang sugiere la intrigante posibilidad de que existan partículas que no pertenezcan a ninguna de las dos categorías. Su estudio, publicado en Nature, propone matemáticamente la existencia de parapartículas, consideradas imposibles durante mucho tiempo.
«Hemos descubierto que pueden existir nuevos tipos de partículas, desconocidos hasta ahora», afirma Hazzard, profesor asociado de Física y Astronomía.
Tradicionalmente, la mecánica cuántica ha definido todas las partículas observables como fermiones o bosones. Estas partículas difieren en su comportamiento cuando están cerca de otras en un estado cuántico. Los bosones pueden agruparse en número ilimitado, mientras que sólo un fermión puede ocupar un estado determinado a la vez, un comportamiento regido por el principio de exclusión de Pauli, que dicta que no más de dos electrones con espines opuestos pueden compartir el mismo orbital en un átomo.
En las décadas de 1930 y 1940, los investigadores empezaron a explorar la posibilidad de otros tipos de partículas. El concepto de parapartículas surgió en 1953 y fue rigurosamente estudiado por la comunidad de físicos de altas energías. Sin embargo, en la década de 1970, los análisis matemáticos parecían descartar las parapartículas como meros disfraces de bosones o fermiones. La única excepción eran los anyones, un tipo de partícula exótica que sólo existía en dos dimensiones.
Sin embargo, los marcos matemáticos de los años setenta y posteriores se basaban en suposiciones que no siempre eran ciertas en los sistemas físicos. Utilizando la ecuación de Yang-Baxter, que describe el intercambio de partículas, y otras técnicas matemáticas, Hazzard y Wang se propusieron demostrar que las parapartículas podían existir teóricamente dentro de las limitaciones de la física conocida.
Los investigadores se centraron en las excitaciones -que pueden considerarse partículas- de sistemas de materia condensada, como los imanes, para demostrar cómo podrían surgir parapartículas de forma natural.
Empleando herramientas matemáticas avanzadas como las álgebras de Lie, las álgebras de Hopf y la teoría de la representación, junto con diagramas de redes tensoriales para el manejo de ecuaciones, Hazzard y Wang realizaron cálculos algebraicos abstractos para crear modelos de sistemas de materia condensada en los que surgen parapartículas.
Su trabajo reveló que, a diferencia de los fermiones o los bosones, las parapartículas muestran comportamientos inusuales cuando intercambian posiciones, transmutando sus estados internos durante el proceso.
Aunque innovadores por sí mismos, estos modelos son sólo el principio de una comprensión más profunda de los nuevos fenómenos físicos que podrían producirse en los sistemas de parapartículas. Un mayor desarrollo de esta teoría podría dirigir experimentos para detectar parapartículas en las excitaciones de sistemas de materia condensada.
«Para hacer realidad las parapartículas en los experimentos, necesitamos propuestas teóricas más realistas», señaló Wang.
El descubrimiento de nuevas partículas elementales y propiedades en los materiales podría tener implicaciones para la información y la computación cuánticas, como la comunicación secreta mediante la manipulación de los estados internos de las partículas.
La especulación sobre posibles aplicaciones está aún en pañales. Este estudio supone un primer paso en la exploración de la paraestática en sistemas de materia condensada. El camino que queda por recorrer, aunque incierto, promete emoción y descubrimientos.
«No sé adónde nos llevará, pero estoy deseando descubrirlo», afirma Hazzard.