Füüsikud võivad nüüdseks ligi 100% kindlad olla, et valguseosakesed alluvad universumi moodustavate kahte tüüpi osakeste vahel tehtavale eristusele.
Bosonite ja fermionite vahel olevat fundamentaalset erinevust on kaua aega eeldatud, ent pole kunagi täielikult tõestatud. Printsiip on üks peamine paljudest eeldusest, millele standardmudel ehk töötav reaalsuse üldistatud koopia rajaneb. Mudelit järgib terve põhivoolu füüsika ning on seni andnud hämmastavalt täpseid tulemusi.
Kuum baariumi aatomite kiir läbib enne vaakumkambris kohtuvate laserikiirte läbimist kollimaatorit. Kui footonid käituksid mõnikord nagu fermionid, peaksid baariumi aatomites vahetevahel kaks footonit neelduma ning protsessi käigus valgust kiirgama. Foto·: Damon English/UC Berkeley
Kui tõestataks, et bosoni-fermioni vaheline vasturääkivus on vale, “oleksid tagajärjed kaugeleulatuvad ning mõjutaksid meie arusaamist aegruumist ning isegi ajalist järgnevust ennast,” ütles California Berkley ülikooli füüsik Damon English, üks uurimuses osalenud teadur. Näiteks võiks taskulambi kiir vastuvõtjani jõuda enne, kui taskulamp üleüldse süttis.
Uurijad andsid eksperimendi käigus valguseosakestele, mida liigitatakse bosoniteks, 10 miljardit võimalust käituda nii, nagu fermionid. Kuid tulemused ei olnud üllatavad. Valgus käitus nii nagu peaks – traditsioonilise bosonina. Bosonid on erilised, kuna samas ‘kvantolekus’ saab viibida lugematu arv osakesi. Kvantolekut iseloomustavateks suurusteks on näiteks ka asukoht ruumipunktis. Madalamatel temperatuuridel põhjustab intuitiivsusele vasturääkiv nähtus näiteks ülijuhtivust ja ülivoolavust. Fermionid, millest koosnevad näiteks aatomid, seda aga teha ei saa. Samamoodi nagu kaks inimest ei saa täpselt samas kohas viibida.
English pommitas koos oma kolleegidega baariumi aatomeid kahest identsest laserist footonitega ning otsis märke sellest, et baarium neelas korraga kaks sama energiaga footonit. Üksikuna on sellised sündmused looduses äärmiselt tavalised – valguskvandi energia lööb ühe aatomi elektronidest kõrgemasse energiaolekusse. Kuid konkreetse katse puhul said taolist elektroni liikumist esile kutsuda vaid bosonid, mitte fermionid.
Põhjus peitub matemaatikas ning hõlmab ka osakeste ‘spinni,’ ütles English. Nagu nimigi viitab, arvati esialgu, et spinn kirjeldab osakese pöörlemist ümber oma telje. Matemaatilised reeglid, mida spinn järgib, on samad kui näiteks osakese impulsimomendi omad. Kuid on erinevusi – spinni saavad kirjeldada ka poolarvulised kvantarvud. Bosonite nagu footonite, W & Z bosonite ning gluoonite spinn saab olla vaid täisarvuline, mil fermionidel nagu elektronidel, neutriinodel ja kvarkidel saab see olla ainult pool täisarvust.
Tavafüüsika kohaselt oleks elektronihüpe viinud baariumi aatomi spinnist null uude olekusse, kus aatomi spinn oleks olnud üks. See tähendab, et aatomiga põrkuvate footonite koguspinn oleks pidanud olema samuti üks. See on aga võrdsete energiaga footonite puhul aga võimatu, kui need ei järgi just fermionide kohta käivaid võrrandeid.
Ideedega kooskõlas olevana hüpet tõepoolest ei toimunud, kuigi mitte ükski teine printsiip peale bosoni-fermioni erinevuse seda tegelikult ei keela. Uurijad ütlesid, et kui elektron oleks siiski kõrgema energiaga olekusse liikunud, oleks mõne aja pärast aatom elektroni minimaalsesse energiaolekusse naasmisel kiiranud teatud värvi valgust.
Sarnastele järeldustele jõudsid teadlased ka 1999. aastal korraldatud eksperimendi järel, kus osales uue eksperimendi juht Dmitri Budker. Uue eksperimendi abil parandati aga tulemuste täpsust umbes 3,000 korda. Seega kukkus tõenäosus, et boson saab käituda nagu fermion alla üheni sajast miljardist ning standardmudeli üks põhiprintsiipe jääb ilmselt ka tulevikus kõigutamatuks.
Loe täpsemalt·:
Berkley ülikool·: “Experiment tests underpinnings of quantum field theory, Bose-Einstein statistics of photons·:”