Σωματιδιακή Φυσική και φερμιόνια Majorana

Το 1928, ο φυσικός Paul Dirac έκανε την εκπληκτική πρόβλεψη ότι κάθε θεμελιώδες σωμάτιο στο σύμπαν έχει ένα αντισωμάτιο – το όμοιο δίδυμο αλλά με αντίθετο φορτίο. Όταν σωμάτιο και αντισωμάτιο συναντηθούν θα εκμηδενιστούν, απελευθερώνοντας μια ποσότητα ενέργειας. Ως συνήθως, λίγα χρόνια αργότερα το πρώτο σωμάτιο αντιύλης – το αντίθετο του ηλεκτρονίου, ποζιτρόνιο – ανακαλύφθηκε και η αντιύλη γρήγορα έγινε μέρος της λαϊκής κουλτούρας. 

Όμως το 1937, ένας άλλος λαμπρός φυσικός, ο Ettore Majorana, εισήγαγε μια νέα ανατροπή: Πρόβλεψε ότι στην κατηγορία των σωμάτιων που είναι γνωστά ως φερμιόνια, που περικλείει τα πρωτόνιο, νετρόνιο, ηλεκτρόνιο, νετρίνο και κουάρκ, θα πρέπει να υπάρχουν σωμάτια που θα πρέπει τα ίδια να είναι αντισωμάτιά τους.

Τώρα, μια ομάδα επιστημόνων βρήκε το πρώτο στέρεο στοιχείο ενός τέτοιου φερμιονίου Majorana. Ανακαλύφθηκε σε μια σειρά εργαστηριακών πειραμάτων σε εξωτικά υλικά στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνιας, σε συνεργασία με το Πανεπιστήμιο Stanford. Η ομάδα ανέφερε τα αποτελέσματά της στο περιοδικό Science, 20 Ιουλίου. «Η ομάδα μας πρόβλεψε ακριβώς που θα βρει το φερμιόνιο Majorana και τι θα ψάξει σαν «όπλο που καπνίζει» για την πειραματική υπογραφή του», δήλωσε ο Shoucheng Zhang (φωτογραφία), θεωρητικός φυσικός και ένας από τους κύριους συγγραφείς της ερευνητικής μελέτης. «Η ανακάλυψη αυτή ολοκληρώνει μια από τις πιο έντονες αναζητήσεις της βασικής φυσικής, που διήρκεσε ακριβώς 80 χρόνια». Μολονότι η έρευνα για το περίφημο φερμιόνιο μοιάζει περισσότερο διανοητική παρά πρακτική, πρόσθεσε, θα πρέπει να έχει εφαρμογές στην πραγματική ζωή για την οικοδόμηση δυνατών κβαντικών υπολογιστών, αν και αυτό είναι ομολογουμένως κάτι για το μακρινό μέλλον.

Από το Fermilab Today

Ο ιδιαίτερος τύπος φερμιονίου Majorana που παρατήρησε η ερευνητική ομάδα είναι γνωστό ως «χειραλικό» φερμιόνιο επειδή κινείται κατά μήκος μιας μονοδιάστατης διαδρομής σε μόλις μια κατεύθυνση. Ενώ τα πειράματα στα οποία παράγεται είναι εξαιρετικά δύσκολο να επινοηθούν, να γίνουν οι διατάξεις και να πραγματοποιηθούν, το σήμα που παρήχθη ήταν καθαρό και ευκρινές, λένε οι ερευνητές. «Η έρευνα αυτή ολοκληρώνει ένα κυνήγι πολλών χρόνων να βρεθούν τα χειραλικά φερμιόνια Majorana. Θα είναι ένα ορόσημο στο πεδίο», είπε ο Tom Devereaux, διευθυντής στο Ινστιτούτο Υλικών και Ενέργειας του Stanford (SIMES), στο SLAC, όπου ο Zhang είναι κύριος ερευνητής.

«Φαίνεται να είναι μια πραγματικά καθαρή παρατήρηση για κάτι νέο», δήλωσε ο Frank Wilczek, θεωρητικός φυσικός στο MIT και κάτοχος βραβείου Nobel, ο οποίος δεν ενεπλάκη στη μελέτη. «Ουσιαστικά δεν είναι έκπληξη, επειδή οι φυσικοί θεωρούσαν για πολύ καιρό ότι τα φερμιόνια θα μπορούσαν να αναδυθούν από τους τύπους των υλικών που χρησιμοποιήθηκαν σε αυτό το πείραμα. Όμως (οι ερευνητές) τοποθέτησαν μαζί διάφορα στοιχεία που πριν δεν είχαν ποτέ τοποθετηθεί μαζί και διαχειρίστηκαν τα πράγματα έτσι που είναι πραγματικό ορόσημο ότι το νέο αυτό είδος του κβαντικού σωμάτιου μπόρεσε να παρατηρηθεί με ένα καθαρό, ισχυρό τρόπο».

Πηγή: Stanford University