Лазерный мир

Немецкие ученые впервые продемонстрировали на практике, что частицы света – это не фермионы, а бозоны. Результаты их экспериментов опубликовал научный журнал Nature Photonics.

Все элементарные частицы можно разделить на две больших категории – бозоны и фермионы. К бозонам относятся различные переносчики фундаментальных взаимодействий, фотоны, а также атомы с четным числом протонов и нейтронов внутри них. Среди фермионов – электроны, протоны и многие другие элементарные частицы с дробными спинами, а также атомы с нечетным числом протонов и нейтронов.

Ключевое различие между этими частицами заключается в том, что фермионы с идентичными свойствами не могут одновременно находиться в одном и том же состоянии, а на бозоны это ограничение не действует. Благодаря этому, в частности, возможно существование лазеров, излучающих наборы одинаковых фотонов, а также конденсата Бозе – Эйнштейна – экзотической формы материи, которая состоит из множества атомов, которые ведут себя как одна гигантская частица.

Ученые не сомневаются, что частицы света – бозоны. Однако до недавнего времени прямых свидетельств у физиков не было. Дело в том, что для изучения природы фотонов эти частицы нужно заставить взаимодействовать друг с другом. Но это очень тяжело.

Физики под руководством Конрада Чернига из Берлинского университета имени Гумбольдта решили эту проблему. Они разработали методику, с помощью которой можно заставить два фотона, которые, предположительно, находятся в полностью идентичных квантовых состояниях, взаимодействовать друг с другом и обменяться фазами. Если взаимодействующие частицы – бозоны, такой обмен будет симметричным, в обратном случае это фермионы.

За подобными взаимодействиями можно проследить, используя источники пар одинаковых фотонов и оптические интерферометры – приборы, с помощью которых можно точно совмещать два луча света и наблюдать, как их волны усиливают или подавляют друг друга.

Эксперимент с прототипом подобной установки показал, что обмен фазами между частицами света был полностью симметричным. Физики не нашли в поведении фотонов никаких заметных отклонений от предсказаний классической квантовой механики. В ближайшее время Черниг и его коллеги планируют увеличить яркость и качество работы лазеров, за счет чего можно бдует уточнить результаты и провести более сложные эксперименты, нацеленные на проверку других постулатов квантовой механики.

Источник: https://nauka.tass.ru/nauka/11558245