Фотон может иметь «бесконечное» число состояний: Ученые обнаружили признак необычного свойства света, способного переписать Стандартную модель

Группа физиков из Национальной ускорительной лаборатории SLAC во главе с Филипом Шустером поставила под сомнение фундаментальное свойство света. Согласно их теоретической работе, фотон — частица, которую мы привыкли считать эталоном изученности, — может обладать не двумя, а бесконечным множеством спиновых состояний. Если гипотеза подтвердится, это станет первым шагом к пересмотру Стандартной модели, десятилетиями остающейся основой физики элементарных частиц.

Квантовый вызов: что такое «непрерывный спин»

Спин — это внутреннее квантовое свойство частицы, которое упрощенно можно представить как ее собственное вращение. У фотона, согласно действующей теории, спин принимает ровно два значения, что напрямую проявляется в поляризации света (вертикальная/горизонтальная или круговая). Частица, у которой таких состояний бесконечно много, называется частицей с непрерывным спином (ЧНС). Долгое время считалось, что переносчики фундаментальных взаимодействий, к которым относится и фотон, не могут быть ЧНС — это противоречило математическому аппарату Стандартной модели.

Десятилетний поиск доказательств

Парадоксально, но команда Шустера изначально ставила перед собой противоположную задачу: строго доказать, что ЧНС для частиц-переносчиков сил невозможны. Однако после более чем десяти лет работы ученые пришли к обратному выводу. Как вспоминает сам Шустер, ключевым моментом стало осознание: «Люди слишком быстро списали эти частицы со счетов». Теоретического запрета на существование ЧНС, вопреки ожиданиям, не существует.

Водород как детектор новой физики

Исследователи предложили конкретный экспериментальный тест. В обычном атоме водорода есть так называемый «запрещенный» энергетический переход электрона — при нем испускание стандартного фотона невозможно по законам сохранения. Однако, согласно расчетам, именно в этом случае мог бы излучаться фотон-ЧНС. Если физикам удастся зафиксировать такое излучение, это станет прямым доказательством гипотезы. Шустер оценивает перспективы проверки оптимистично: «Вполне разумно полагать, что это можно проверить эмпирически уже сейчас, а не через 10-15 лет».

Реакция научного сообщества

Идея встретила как энтузиазм, так и здоровый скепсис. Физик Брандо Беллаццини из Университета Париж-Сакле называет работу «смелой и конкретной, но все еще спекулятивной», отмечая отсутствие экспериментальных данных. Он ожидает, что в конечном итоге будет найдено «фатальное несоответствие». В то же время Ксавье Бекарт из Университета Тура видит в ЧНС потенциал для решения проблем, с которыми Стандартная модель не справляется — в частности, природы темной материи и темной энергии.

Сам Шустер сохраняет консервативную позицию, настаивая на необходимости тщательной проверки теории. Однако он признает: если эксперимент подтвердит существование фотонов с непрерывным спином, последствия будут радикальными. «Многим придется съесть свои шляпы, — говорит ученый. — И я бы съел свою».

Стандартная модель, несмотря на всю свою мощь и предсказательную силу, оставляет за бортом такие явления, как гравитация на квантовом уровне и природа темной материи. Гипотеза о непрерывном спине фотона — не просто технический курьез. Если она верна, это указывает на то, что нынешняя теория является лишь приближением к более глубокой и сложной картине мира. Ближайшие годы, а возможно и месяцы, покажут, скрывает ли свет ту тайну, которая способна перевернуть фундаментальную физику.