Dovezi ce atestă existența fermionului Majorana, o particulă care este propria sa antiparticulă

Cercetătorii din Statele Unite au descoperit dovezi care atestă existența fermionului Majorana, o particulă care este în același timp propria sa antiparticulă, informează Agerpres, care preia o știre a agenției de presă Xinhua.

Descoperirea a fost realizată în urma unui plan propus de Shoucheng Zhang, profesor de fizică la Universitatea Stanford și unul dintre autorii principali ai acestui studiu, publicat joi în revista Science.

"Echipa noastră a prezis cu exactitate unde vom găsi fermionul Majorana și semnătura pe care trebuia să o căutăm, pe post de 'armă fumegândă' a acestuia, în timpul experimentului. Descoperirea completează una dintre cele mai intensive cercetări din fizica fundamentală, care s-a întins pe durata a exact 80 de ani", a declarat profesorul Zhang.

În 1928, fizicianul englez Paul Dirac a prezis că fiecare particulă fundamentală din Univers are o antiparticulă, un fel de "frate geamăn", dar cu o sarcină electrică opusă; și că atunci când particula și antiparticula se întâlnesc, ele se anihilează una pe alta, eliberând o cantitate de energie. După câțiva ani, prima particulă de antimaterie, și anume opusul electronului, pozitronul, a fost descoperită.

În 1937, fizicianul italian Ettore Majorana a prezis că în clasa particulelor cunoscute sub numele de "fermioni", în care se află protonul, neutronul, electronul, neutrino și quark-ul, ar trebui să existe și particule care sunt în același timp propriile lor antiparticule.

Prima dovadă solidă a unui astfel de fermion a fost descoperită în timpul unor experimente de laborator realizate pe materiale exotice la Universitatea California (UC) în colaborare cu Universitatea Stanford, de o echipă condusă de Jing Xia — profesor asociat la UC-Irvine — și Kang Wang — profesor la UCLA.

Ce este fermionul Majorana

Tipul de fermion Majorana observat este cunoscut sub numele de "fermion chiral", deoarece se mișcă într-un spațiu unidimensional într-o singură direcție. Deși experimentele au fost deosebit de dificil de creat, amenajat și desfășurat, potrivit oamenilor de știință, semnalul pe care l-au produs a fost "clar și lipsit de ambiguitate".

"Pare să fie cu adevărat o observație cu adevărat curată despre ceva cu totul nou", a spus Frank Wilczek, un expert în fizica teoretică, laureat al premiului Nobel și cercetător la prestigiosul Massachusetts Institute of Technology (MIT), care nu a participat la studiu. "Nu este însă ceva surprinzător într-un mod fundamental, deoarece fizicienii se așteptau de multă vreme ca fermionii Majorana să apară la suprafața materialelor de acest tip care au fost utilizate în noul experiment", a adăugat el.

Predicțiile lui Ettore Majorana se aplică doar fermionilor care nu au sarcină electrică, precum neutronii și neutrino. În contextul în care o antiparticulă a fost găsită pentru neutron, savanții aveau motive întemeiate să creadă că și neutrino ar putea avea propria sa antiparticulă.

În urmă cu aproximativ 10 ani, oamenii de știință au înțeles că fermionii Majorana ar putea fi creați în experimente care explorează fizica materialelor.

Ei au căutat "quasiparticule", acele stimulații asemănătoare particulelor, ce apar din comportamentul colectiv al electronilor din materialele superconductoare — care conduc electricitatea cu o eficiență de 100%.

Procesul care generează apariția acestor quasiparticule este înrudit cu felul în care energia se transformă în particule "virtuale" cu viață scurtă și, apoi, din nou în energie, în vidul din spațiu, potrivit celebrei ecuații formulate de Albert Einstein E = mc2.

Deși quasiparticulele nu sunt ca particulele descoperite în natură, cu toate acestea pot fi considerate veritabili fermioni Majorana.

Pe parcursul ultimilor cinci ani, savanții au avut un anumit succes cu această abordare, raportând că au găsit semnături promițătoare ale fermionului Majorana în experimente ce au implicat nanofire superconductoare.

Cum s-au găsit „dovezile”

În experimentele inițiate la UCLA și UC-Irvine, cercetătorii au comasat pelicule fine de două materiale cuantice — un superconductor și un izolator magnetic topologic — și au trecut un curent electric prin ele, în interiorul unei camere vidate, la temperatură scăzută.

Pelicula de deasupra era un superconductor, iar cea de jos era un izolator topologic, care conduce curentul electric de-a lungul suprafeței și marginilor sale, dar nu în interiorul ei. Alipirea lor a creat un izolator topologic supraconductor, în care electronii circulă printre cele două muchii ale suprafeței materialului fără să întâmpine rezistență.

Profesorul Zhang a avut ideea de a modifica puțin izolatorul topologic prin adăugarea unei mici cantități de material magnetic. În acest fel, unii electroni circulau într-un sens de-a lungul unei fețe a peliculei și în celălalt sens pe fața opusă.

Apoi, cercetătorii au adăugat un magnet deasupra dispozitivului, pentru ca fluxul de electroni să încetinească, să se oprească și apoi să își schimbe direcția. Aceste schimbări au avut loc în etape bruște, asemănate cu treptele identice ale unei scări.

În anumite momente ale acestui ciclu, quasiparticule Majorana au apărut, ridicându-se în perechi deasupra stratului superconductor și deplasându-se de-a lungul muchiilor izolatorului topologic, la fel cum au făcut-o și electronii înaintea lor.

Un membru din fiecare pereche a fost deviat din acest tipar de deplasare, permițându-le cercetătorilor să măsoare fluxul de quasiparticule individuale care au continuat să se deplaseze spre înainte. La fel ca electronii, acele quasiparticule au încetinit, s-au oprit și apoi și-au schimbat direcția — dar în "trepte" cu amplitudinea de exact jumătate din cea a treptelor electronilor.

Aceste "trepte pe jumătate" sunt ceea ce oamenii de știință au spus că reprezintă "arma fumegândă", dovada ce atestă existența fermionului Majorana.