Новая частица: материя и антиматерия в одном флаконе

06.10.2014, Илья Хель 2

С 1930-х годов ученые искали частицы, которые одновременно представляли бы собой материю и антиматерию. Недавно физики обнаружили веские доказательства существования такой частицы внутри сверхпроводящего материала. Это открытие может представлять собой первую так называемую майорановскую частицу и поможет исследователям кодировать информацию для квантовых компьютеров.

Майорановские частицы

Физики считают, что у каждой материальной частицы есть противоположность в виде антиматерии с такой же массой, но противоположным зарядом. Когда материя встречается с антиматерией, они аннигилируют, то есть уничтожают друг к друга. Однако некоторые частицы могут быть сами себе антиматерией, как предположил в 1937 году итальянский физик Этторе Майорана. Впервые с тех пор ученые заговорили о том, что обнаружили одну из таких частиц, о чем и сообщили в Science от 3 октября.

Новая майорановская частица обнаружилась внутри сверхпроводника, материала, в котором свободное движение электронов позволяет электричеству течь без сопротивления. Исследовательская группа во главе с Али Яздани из Принстонского университета поместила длинную цепочку атомов железа (которые магнитные) на вершине сверхпроводника из свинца. В обычном состоянии магнетизм нарушает принцип работы сверхпроводников, поскольку именно отсутствие магнитных полей позволяет электронам течь беспрепятственно. Но в этом случае магнитная цепь превратилась в особый тип сверхпроводника, в котором соседствующие в цепи электроны скоординировали свои спины, чтобы одновременно удовлетворить требованиям магнетизма и сверхпроводимости. Каждую из таких пар можно рассматривать как электрон и антиэлектрон с отрицательным и положительным зарядом соответственно. Эта договоренность, однако, оставляет по одному электрону на каждом конце цепи без соседней пары, заставляя их принимать свойства как электрона, так и антиэлектрона — другими словами, майорановские частицы.

В отличие от частиц, которые обнаруживаются в вакууме, не связанных с другой материей, эти майорановские частицы называются «возникающими частицами». Они вытекают из коллективных свойств окружающего вещества и не могут существовать вне сверхпроводника.

Новое исследование демонстрирует убедительные сигнатуры майорановских частиц, считает Лео Кувенховен из Технологического университета Делфта в Нидерландах, который не принимал участия в исследовании, но ранее обнаружил следы майорановских частиц в другом сверхпроводнике.

«Но чтобы убедительно говорить о полном доказательстве, думаю, нужно сделать тест на ДНК, — он имеет в виду, что такой тест должен показать, что частицы не подчиняются привычным законам двух известных классов частиц — фермионов (протонов, электронов и других знакомых нам частиц) и бозонов (фотонов и других переносчиков силы, включая бозон Хиггса). — Что мы точно знаем о «майоранах», так это то, что они принципиально новый класс частиц. И если вы находите новый класс частиц, вы просто добавляете новую главу в физику».

Физик Джейсон Элисеа из Калифорнийского технологического института, также не принимавший участия в исследовании, сказал, что исследование предлагает «убедительные доказательства» майорановских частиц, но «мы должны иметь в виду возможные альтернативные объяснения — даже если они не будут очевидными». Плюс в том, что установка для производства неуловимых майорановских частиц оказалась довольно простой. Это значит, что ученые уже в самом скором времени смогут подтвердить или опровергнуть находку.

Открытие майорановских частиц может иметь серьезные последствия для поиска подобных частиц за пределами сверхпроводниковых материалов. Многие физики подозревают, что нейтрино — легчайшие частицы, странным образом меняющие свою сущность, или аромат — также являются майорановскими частицами, и дальнейшие эксперименты прольют свет на эту догадку. Теперь, когда мы знаем, что майорановские частицы могут существовать внутри сверхпроводников, никого не удивит находка и за их пределами. Как только общая концепция подтвердится, ее, вероятнее всего, подтвердят и на другом примере.

Это открытие также может быть полезно для построения квантовых компьютеров, которые используют законы квантовой механики и обещают в разы ускорить вычисления, обойдя традиционные компьютеры. Один из главных вопросов в построении квантового компьютера — это перенос квантовых свойств вроде запутанности, который приведет к коллапсу в случае внешнего вмешательства. Майорановские частицы на каждом из концов цепи будут обладать иммунитетом к такой опасности, поскольку она может привести к уничтожению любой закодированной информации. На основе майорановских частиц можно будет построить квантовый бит (или кубит), который будет намного надежнее всех, произведенных до сих пор.

Новый комментарий

Для отправки комментария вы должны авторизоваться или зарегистрироваться.