Доказано, что фотоны подчиняются статистике Бозе — Эйнштейна

Новый эксперимент, проведённый физиками из Калифорнийского университета и Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли (США), более чем в тысячу раз уменьшает шансы на то, что фотоны являются фермионами, а не бозонами.

Бозонами называют частицы с целым значением спина, а фермионам, соответственно, остаются полуцелые значения. Бозоны подчиняются статистике Бозе — Эйнштейна, которая допускает существование произвольного числа одинаковых частиц в одном и том же квантовом состоянии; следствием этого становится возможность образования бозе-эйнштейновского конденсата. Фермионы, в свою очередь, подчиняются статистике Ферми — Дирака и принципу Паули, согласно которому два и более тождественных фермиона не могут одновременно находиться в одном квантовом состоянии.

 Дмитрий Будкер (слева) играет роль одиночного фермиона, а другой участник исследования Дэймон Инглиш (Damon English) выступает в роли бозонов (фото Роя Кальтшмидта и Дэймона Инглиша).


Эта стройная картина подтверждается расчётами в рамках квантовой теории поля, но некоторых физиков смущает то, что она основывается на предположениях, которые, к примеру, могут и не выполняться в теории струн. 

Авторы постарались выполнить как можно более точную экспериментальную проверку указанных выше утверждений, сводящихся к известной теореме о связи спина и статистики. «Мы, конечно же, понимали, что шансов опровергнуть теорию у нас немного, — говорит один из участников исследования Дмитрий Будкер. — Но если бы это удалось, открытие было бы революционным».

Учёные рассматривали двухфотонный переход 6s2 1S0 → 5d6d 3D1 в барии, связанный с изменением полного углового момента атома с нуля на единицу. Эксперимент был построен на том, что пары фотонов с одинаковыми частотами, если они действительно являются бозонами, не должны инициировать этот переход.

На пучок атомов бария в оптическом резонаторе физики направляли излучение лазеров, параметры которых были подобраны так, чтобы суммарная энергия пар фотонов соответствовала двухфотонному возбуждению. Состояние атомов контролировалось путём регистрации фотонов, испускаемых при последующем переходе 5d6d 3D1 → 6s6p 3P.

Как и ожидали физики, при условии равенства частот излучения стимулировать двухфотонный переход не удавалось. Все проведённые ранее эксперименты такого рода давали намного — на три порядка — менее точные результаты; по словам г-на Будкера, скоро погрешность измерений можно будет снизить ещё в 100–1 000 раз.

Источник: compulenta