Un nuevo tipo de partícula: científicos descubren la posibilidad de los parapartículas

Desde los albores de la mecánica cuántica, los científicos han clasificado todas las partículas en dos grupos: bosones y fermiones, según su comportamiento. Sin embargo, una nueva investigación realizada por el físico de la Universidad Rice, Kaden Hazzard, y el exestudiante de posgrado Zhiyuan Wang, sugiere la posibilidad de la existencia de partículas que no encajan en estas categorías tradicionales. Su estudio, publicado en la revista Nature, demuestra matemáticamente la viabilidad de los parapartículas, que se creían imposibles hasta ahora.

Según Hazzard, «hemos determinado que existen tipos de partículas que nunca conocimos antes». La mecánica cuántica ha mantenido durante mucho tiempo que todas las partículas observables son fermiones o bosones. Estas dos categorías se diferencian por su comportamiento en presencia de otras partículas en un estado cuántico determinado. Los bosones pueden congregarse en cantidades ilimitadas, mientras que solo un fermión puede existir en un estado dado. Este comportamiento de los fermiones se conoce como principio de exclusión de Pauli, que explica, por ejemplo, por qué no podemos atravesar una silla al sentarnos.

En las décadas de 1930 y 1940, algunos investigadores comenzaron a explorar la posibilidad de la existencia de otros tipos de partículas. En 1953, se formuló una teoría cuántica concreta de tales partículas, conocidas como parapartículas, que fue objeto de estudio en la comunidad de física de altas energías. Sin embargo, en la década de 1970, los estudios matemáticos parecían demostrar que estas parapartículas eran en realidad solo bosones o fermiones enmascarados. La única excepción a esta regla era la existencia de anyones, partículas exóticas que solo existen en dimensiones bidimensionales.

Un nuevo enfoque matemático

Los modelos matemáticos desarrollados a partir de los años 70 se basaban en suposiciones que no siempre se cumplen en los sistemas físicos reales. Utilizando una solución a la ecuación de Yang-Baxter, útil para describir la interacción de partículas, junto con teoría de grupos y otras herramientas matemáticas, Hazzard y Wang se propusieron demostrar que las parapartículas podrían existir teóricamente y ser completamente compatibles con las restricciones conocidas de la física.

Los investigadores se centraron en las excitaciones, que se pueden considerar como partículas, en sistemas de materia condensada, como los imanes, para ofrecer un ejemplo concreto de cómo podrían surgir las parapartículas en la naturaleza. «Las partículas no son solo entidades fundamentales», señala Hazzard. «También son importantes para describir materiales.»

Este trabajo de investigación es interdisciplinario, abarcando diversas áreas de la física teórica y las matemáticas. Mediante el uso de matemáticas avanzadas, como álgebra de Lie, álgebra de Hopf y teoría de representaciones, además de un método pictórico basado en diagramas de redes tensoriales, Hazzard y Wang lograron realizar cálculos algebraicos abstractos que desarrollan modelos de sistemas de materia condensada donde emergen las parapartículas.

Los resultados de este estudio no solo son revolucionarios por sí mismos, sino que representan el primer paso hacia una mejor comprensión de muchos fenómenos físicos nuevos que podrían ocurrir en sistemas de parapartículas. El desarrollo futuro de esta teoría podría guiar experimentos destinados a detectar parapartículas en las excitaciones de sistemas de materia condensada.

Wang destaca que «para realizar experimentos con parapartículas, necesitamos propuestas teóricas más realistas». La posibilidad de descubrir nuevas partículas elementales y propiedades en materiales podría tener aplicaciones en información y computación cuántica, como la comunicación secreta mediante la manipulación de estados internos de partículas. Sin embargo, contemplar estas aplicaciones se encuentra aún en una etapa temprana y mayormente especulativa.

Este estudio marca un avance inicial en la investigación de las parastatísticas en sistemas de materia condensada, aunque el rumbo que tomarán estos hallazgos es incierto. La exploración adicional de las nuevas teorías descubiertas y la observación de parapartículas en sistemas de materia condensada y otros materiales serán temas de investigación futura. «No sé hacia dónde nos llevará esto, pero estoy seguro de que será emocionante descubrirlo», concluye Hazzard.