Wetenschappers ontdekken "engeldeeltje" dat zijn eigen antideeltje is

Anonim

Wetenschappers ontdekken "angel particle " dat zijn eigen antideeltje is

Fysica

Michael Irving

21 juli 2017

Wetenschappers van Stanford en de University of California hebben bewijs gevonden voor Majorana-fermionen - deeltjes die hun eigen antideeltje zijn (Credit: spgirolamo / Depositphotos)

Elk fundamenteel deeltje in het universum heeft een antideeltje, dat dezelfde massa maar de tegenovergestelde lading heeft. Als een deeltje zijn antideeltje zou ontmoeten, zouden de twee elkaar in een flits van energie vernietigen. Maar het is al lang getheoretiseerd dat er een uitzondering is op de regel, met bepaalde deeltjes die eigenlijk hun eigen antideeltjes zijn. Nu hebben wetenschappers van Stanford en de University of California het eerste sterke bewijs gevonden voor dit type deeltjes, die ze het "angel deeltje " kopiëren.

De theorie dateert uit 1937, toen natuurkundige Ettore Majorana een gat in de fermionfamilie van deeltjes aan het licht bracht. Protonen, elektronen, neutronen, neutrino's en quarks zijn allemaal fermionen en hebben allemaal overeenkomstige antideeltjes, maar volgens Majorana's berekeningen moeten er deeltjes zijn die hun eigen antideeltjes zijn.

Omdat ze geen lading hebben, waren neutronen en neutrino's de beste kandidaten om deze Majorana-fermionen te zijn, maar sindsdien zijn antineutronen ontdekt. Er blijft echter een groot vraagteken hangen boven neutrino's, en experimenten zijn momenteel aan de gang om te bepalen of ze in feite hun eigen antideeltje zijn. De moeilijkheid van de experimenten betekent echter dat een antwoord nog steeds meer dan een decennium verwijderd is.

In de tussentijd is de meest waarschijnlijke manier om Majorana-fermionen te vinden, door te zoeken naar "quasipartikels. " Zoals de naam suggereert, zijn deze niet heel natuurlijke deeltjes, maar ze komen voort uit het collectieve gedrag van elektronen en hebben bepaalde eigenschappen van deeltjes. Als dat moeilijk te visualiseren is, verklaart de Encyclopaedia Britannica het concept als bubbels in een drankje: bubbels ontstaan ​​ook uit het 'collectieve gedrag' van de chemicaliën in de drank, en hoewel ze niet echt onafhankelijke objecten zijn, bubbels hebben wel meetbare eigenschappen zoals objecten, zoals grootte, vorm, etc.

Op dezelfde manier kunnen quasideeltjes niet voorkomen buiten zeer specifieke omstandigheden, maar ze kunnen worden beschouwd als Majorana-fermionen als ze alle juiste eigenschappen vertonen. Nu zeggen Stanford en UC-onderzoekers dat ze een 'smoking gun'-handtekening hebben gevonden die wijst op de aanwezigheid van deze hypothetische fermionen.

"Ons team voorspelde precies waar het Majorana-fermion te vinden was en wat te zoeken als zijn 'smoking gun ' experimentele handtekening, " zegt Shoucheng Zhang, een van de senior auteurs van het onderzoekspaper. "Deze ontdekking concludeert een van de meest intensieve zoekopdrachten in de fundamentele natuurkunde, die exact 80 jaar duurde. "

Om deze eigenzinnige quasipartikels te laten zien, construeerde het team zorgvuldig hun zeer specifieke 'drankje', bestaande uit dunne films van twee kwantummaterialen die op elkaar gestapeld waren. Het eindresultaat is een supergeleidende topologische isolator, waardoor elektronen snel langs de randen van het oppervlak van het materiaal kunnen bewegen, maar niet door het midden. Door een snufje magnetisch materiaal aan de mix toe te voegen, vloeiden de elektronen in de ene richting langs de ene rand en in de andere richting langs de andere.

De onderzoekers veegden vervolgens een magneet over het materiaal, waardoor alle elektronen langzamer gingen draaien, stoppen en van richting veranderen. De omkering gebeurde in een schokkerige, gespreide beweging die het team leek te vergelijken met trappen in een trap. Quasiparticles begonnen in paren uit het materiaal te verschijnen, zich voortbewegend langs hetzelfde pad als de elektronen, maar er was een belangrijk verschil: toen ze stopten en zich omdraaiden, deden ze dat in "stappen " precies half zo hoog als de elektronen. Dat komt omdat elk in wezen slechts de helft van een deeltje is, omdat een uit elk quasipartikel-paar onderweg verloren gaat. En dat fenomeen was precies het bewijs waar het team naar op zoek was.

Zhang stelt voor dat de ontdekking van het team de "angel particle " wordt genoemd naar de Dan Brown-roman Angels and Demons, met een bom die wordt aangedreven door de ontmoeting van materie en antimaterie. Op de lange termijn kon Majoranas praktische toepassingen vinden om kwantumcomputers veiliger te maken.

Het onderzoek is gepubliceerd in het tijdschrift Science en Zhang geeft een presentatie over de bevindingen in de onderstaande video.

Bron: Stanford University

Wetenschappers van Stanford en de University of California hebben bewijs gevonden voor Majorana-fermionen - deeltjes die hun eigen antideeltje zijn (Credit: spgirolamo / Depositphotos)