Natuurkundigen simuleren compleet nieuwe soort deeltje, naast de bekende bosonen en fermionen
Alle deeltjes in het heelal gedragen zich, voor zover we weten, op twee manieren. Ze zijn een boson, zoals het lichtdeeltje, of een fermion, zoals het elektron. Een onderzoeksteam heeft nu voor het eerst een derde soort nagemaakt in het lab: het "paradeeltje". Het bestaat niet echt als nieuw natuurdeeltje, maar het gedrag ervan is nu wel voor het eerst zichtbaar gemaakt met kunstmatige, programmeerbare deeltjes.
Waarom is dat onderscheid tussen bosonen en fermionen eigenlijk zo belangrijk? Fermionen, zoals elektronen in een atoom, kunnen nooit precies dezelfde plek en toestand delen. Dat heet het uitsluitingsprincipe, en het is de reden dat atomen stevig zijn en materie niet in elkaar klapt. Bosonen zijn juist sociale deeltjes: ze stapelen zich graag op elkaar, wat bijvoorbeeld lasers mogelijk maakt.
Al tientallen jaren vragen natuurkundigen zich af of er nog een derde optie bestaat. Begin 2025 kwam een theoretisch team met een wiskundig voorstel voor zogeheten "paradeeltjes" (parastatistiek). Dit zijn deeltjes die niet elkaars kopie zijn, maar wel verborgen, niet-plaatsgebonden eigenschappen delen, en die zich houden aan hun eigen, aangepaste uitsluitingsregels. Zulke deeltjes zijn nooit in de natuur gezien, maar de vraag was: kun je hun gedrag wel namaken?
Een kunstmatig deeltjesleven in een chip
Dat is precies wat deze onderzoekers deden. Ze gebruikten een rooster van supergeleidende qubits, de bouwstenen van een quantumcomputer die extreem koud gekoeld moeten worden om quantumeffecten te vertonen. Met dit rooster bootsten ze een versie van het paradeeltje na die een eigen, aangepast uitsluitingsprincipe volgt.
Om te checken of het echt om een nieuwe soort statistiek ging, deden de onderzoekers drie metingen. Ten eerste: als je twee paradeeltjes van plek wisselt, zou de quantumtoestand van het systeem met precies 180 graden moeten draaien, net als bij een golf die in zijn tegenovergestelde fase komt. Dat zagen ze inderdaad gebeuren.
Ten tweede lieten ze twee paradeeltjes botsen op een soort "deeltjessplitser" (een beamsplitter). Normaal gesproken hangt het resultaat van zo'n botsing af van de interne eigenschappen van de deeltjes. Bij de paradeeltjes gebeurde dat niet: ze weken altijd van elkaar af, ongeacht hun interne staat. Dat is precies het gedrag dat de theorie voorspelde.
Ten derde maten ze hoe de paradeeltjes zich verdelen over energieniveaus bij een bepaalde temperatuur. Die verdeling klopte niet met de bekende formules voor bosonen of fermionen. Het was dus echt iets anders.
Wat betekent dit (nog) niet: Dit is geen bewijs dat paradeeltjes als natuurlijk voorkomend deeltje bestaan. De onderzoekers hebben het wiskundige gedrag van paradeeltjes nagebootst met kunstmatige qubits, niet een echt nieuw deeltje ontdekt. Het is bovendien het resultaat van één onderzoeksteam, dat nog bevestigd moet worden door anderen. Of parastatistiek ooit leidt tot bruikbare nieuwe materialen of technologie, is op dit moment nog volledig onzeker.
Toch is dit een bijzondere stap. Het laat zien dat je met quantumsimulatoren, chips die quantumsystemen nabootsen, exotische natuurkundige ideeën kunt testen die je anders alleen op papier kunt uitwerken. De onderzoekers hopen dat dit soort simulaties helpt om in de toekomst compleet nieuwe toestanden van materie te ontdekken, iets dat met de bekende bosonen en fermionen alleen niet lukt.