Ученые Принстонского Университета использовали сканирующий туннельный микроскоп, чтобы показать атомную структуру железного провода в атом шириной на свинцовой поверхности. Увеличенная часть изображения показывает квантовую вероятность содержания в проволоке неуловимой частицы, называемой фермион Майораны. Важно отметить, что картинка показывает частицы на конце проволоки, а это именно там, где и было предсказано в течение многих лет теоретических расчетов.
Если вы думали, что поиск бозона Хиггса - неуловимой частицы, наделяющей материю массой - был эпическим, то задумайтесь о физиках, которые пытались отыскать путь к открытию другой субатомной частицы, скрытой с 1930-х, когда о ней появилось первое предположение.
Но теперь, благодаря использованию 2-х фантастично-больших микроскопов, эта очень странная и потенциально революционная частица была обнаружена.
Представим же фермион Майораны – это частица, которая является также и собственной античастицей, кандидат в темную материю, и возможный посредник квантовых вычислений.
Фермион Майорана назван в честь итальянского физика, Этторе Майораны, который сформулировал теорию, описывающую эту уникальную частицу. В 1937 году Майорана предсказал, что стабильная частица может существовать в природе, являющейся одновременно и материей и антиматерией. В нашем каждодневном опыте присутствует и материя ( которая встречается в изобилии и в нашей Вселенной) и антиматерия ( что встречается крайне редко). Если материя и антиматерия встречаются, они аннигилируют, исчезая во вспышке энергии.
Одна из самых больших загадок современной физики, это то, как Вселенная стала больше материей, чем антиматерией. Логика подсказывает, что материя и антиматерия - это части одной вещи, как противоположные стороны медали, и должны были быть созданы в одном темпе. В этом случае, Вселенная была бы уничтожена, прежде чем смогла бы утвердиться. Однако некоторый процесс после Большого взрыва показывает, что было произведено больше материи, чем антиматерии, итак, важно, что, победила материя, заполняющая Вселенную, которую мы знаем и любим сегодня.
Тем не менее, фермион Майораны различен в своих свойствах и является также и античастицей. В то время как электрон – это материя, а позитрон – это антиматериальная частица электрона, то фермион Майораны является одновременно и материей и антиматерией. Именно эта материальная/антиматериальная двойственность сделала эту маленькую бестию так трудно отслеживаемой в течение последних 8 лет. Но физики это сделали, и чтобы выполнить задачу, потребовалась потрясающая изобретательность и колоссально большой микроскоп.
Теория показывает, что фермион Майораны должен выходить на краю других материалов. Таким образом, команда Принстонского Университета создала железный провод в атом толщиной на свинцовой поверхности и сделала увеличение на конце провода с помощью мега-микроскопа в лаборатории сверхнизких вибраций Ядвин Холл в Принстоне.
«Это самый простой способ увидеть фермион Майораны, который, как ожидается, будет создан на краю некоторых материалов» - как говорит в пресс-релизе ведущий физик Али Яздани из Принстонского Университета, штат Нью-Джерси. "Если вы хотите найти эту частицу внутри материала вы должны использовать такой микроскоп, который позволяет видеть, где она на самом деле находится". Исследования Яздани были опубликованы в журнале Science в четверг (2 октября).
Поиск фермиона Майораны значительно отличается от поисков других субатомных частиц, которые больше освещены в широкой прессе. Охота на бозон Хиггса (и похожих частиц) требует самых мощных ускорителей на планете, чтобы генерировать огромное столкновение энергий, необходимое для имитации условий вскоре после Большого Взрыва. Это единственный способ чтобы изолировать быстро затухающий бозон Хиггса, а затем изучить продукты его распада.
В отличие от этого, фермион Майораны может быть обнаружен только в веществе по его влиянию на атомы и силам , окружающим его – так что не требуются никаких мощных ускорителей, но использование мощных сканирующих туннельных микроскопов обязательно. Также требуются очень тонкие настройки на целевой материал, чтобы фермион Майораны была изолирован и отображен.
Этот строгий контроль требует экстремального охлаждения тонкого железного провода для обеспечения сверхпроводимости. Сверхпроводимость достигается, когда тепловые колебания материала снижены до такой степени, что электроны могут проходить через это материал с нулевым сопротивлением. Снижая цель до 272 градусов по Цельсию - до одного градуса выше абсолютного нуля, или 1 Кельвина - могут быть достигнуты идеальные условия для формирования фермиона Майораны.
«Это показывает, что этот (Майораны) сигнал существует только на краю», - сказал Яздани. «Это ключевая подпись. Если у вас ее нет, тогда этот сигнал может существовать по другим причинам».
Предыдущие эксперименты снимали возможные сигналы фермиона Майораны в подобных установках, но это первый случай, когда определенный сигнал частицы появился , после удаления всех источников помех, именно в том месте, где ему предсказано быть. «Это может быть достигнуто только посредством экспериментальной установки - простой и без использования экзотических материалов, которые могли бы внести помехи», - утверждает Яздани.
«Что интересно, так то, что это очень просто: это свинец и железо» , - сказал он.
Сейчас обнаружено, что есть некоторые интересные возможности для нескольких областей современной физики, техники и астрофизики.
Например, фермион Майораны слабо взаимодействует с обычной материей, как и призрачное нейтрино. Физики не уверены, имеет ли нейтрино отдельную античастицу, или же, как фермион Майораны, является его собственной античастицей. Нейтрино изобилуют во Вселенной, и астрономы часто указывают, что нейтрино – значительная часть темной материи, которая, как полагают , заполнит Космос. Возможно, нейтрино такие же, как частицы Майораны и фермионы Майораны также являются кандидатами в темную материю.
Существует также потенциально революционное промышленное применение, если физики смогут закодировать материю с майорановских фермионов. В настоящее время электроны используются в квантовых вычислениях, потенциально создавая компьютеры, которые могут решать ранее неисчислимые системы в одно мгновение. Но электроны, как известно, трудно контролируемы, и часто нарушают расчеты после взаимодействия с другими материалами, их окружающими.
Однако фермион Майораны, чрезвычайно слабо взаимодействующий с материалом, в связи с его материальной/антиматериальной дуальностью, удивительно стабилен. Именно по этим причинам, ученые могут использовать эту частицу, технически применяя ее в материалах, кодируя, и, возможно, открывая все новые и новые способы квантовых вычислений.
Таким образом, хотя его открытие и не создает драмы и сталкивания релятивистских частиц вмеcте в вакуумных камерах детекторов БАК, более тонкое открытие Майораны может выработать новый подход к темной материи и сделать революцию в вычислительной технике.
И, возможно, 80-летнее ожидание его открытия стоило того, в конце концов.