Bukti untuk "partikel malaikat" - partikel yang merupakan antipartikelnya sendiri

  • Bagikan Ini
Ricky Joseph

Setiap partikel fundamental di alam semesta memiliki antipartikel, yang memiliki massa yang sama tetapi muatannya berlawanan. Jika sebuah partikel bertemu dengan antipartikelnya, keduanya akan musnah dalam sekejap energi. Tetapi telah lama berteori bahwa ada pengecualian terhadap aturan tersebut, dengan partikel tertentu yang sebenarnya adalah antipartikel mereka sendiri.

Sekarang, para ilmuwan di Stanford University dan University of California (UC) telah menemukan bukti kuat pertama untuk jenis partikel ini, yang mereka sebut " Partikel malaikat" Tim ilmuwan dari Stanford dan UC mengatakan bahwa mereka telah menemukan bukti kuat pertama dari fermion Majorana tersebut. Fermion ini ditemukan dalam serangkaian percobaan laboratorium pada bahan eksotis di University of California (UC), bekerja sama dengan Stanford University. Tim ini dipimpin oleh Associate Professor UC-Irvaine Jing Xia dan Professor Kang Wang dari University of California.California di Los Angeles (UCLA), dan mengikuti rencana yang diusulkan oleh Shoucheng Zhang, seorang profesor fisika di Stanford, dan rekan-rekannya. Tim melaporkan hasilnya dalam sebuah makalah yang diterbitkan dalam jurnal Ilmu Pengetahuan .

Teori ini bermula pada tahun 1937, ketika fisikawan Italia Ettore Majorana menyoroti celah dalam keluarga partikel fermion. Proton, elektron, neutron, neutrino, dan quark semuanya adalah fermion, dan semuanya memiliki antipartikel yang sesuai, tetapi menurut perhitungan Majorana, harus ada partikel yang merupakan antipartikel mereka sendiri, yang kemudian dikenal sebagai Fermion Majorana .

Karena tidak memiliki muatan, neutron dan neutrino adalah kandidat terbaik untuk menjadi fermion Majorana ini, tetapi antinutron telah ditemukan. Masih ada tanda tanya besar atas neutrino, dan eksperimen saat ini sedang dilakukan untuk menentukan apakah mereka sebenarnya adalah antipartikel mereka sendiri. Namun, kesulitan eksperimen menyiratkan bahwa jawaban masihlebih dari satu dekade lagi dari kita.

Sementara itu, cara yang paling mungkin untuk menemukan fermion Majorana adalah dengan mencari "partikel semu". Seperti namanya, partikel semu ini bukanlah partikel yang sangat alamiah, tetapi muncul dari perilaku kolektif elektron dan memiliki sifat-sifat tertentu dari partikel. Encyclopaedia Britannica menjelaskan konsep ini sebagai gelembung-gelembung dalam minuman: gelembung-gelembung juga muncul dari "perilaku kolektif" bahan kimia dalam minuman, dan meskipun mereka bukan objek yang benar-benar independen, gelembung-gelembung tersebut memiliki sifat-sifat yang dapat diukur seperti benda-benda nyata, termasuk ukuran, bentuk, dll.

Demikian pula, partikel semu mungkin tidak terjadi di luar kondisi yang sangat spesifik, tetapi dapat dianggap sebagai fermion Majorana jika mereka menunjukkan semua sifat yang tepat. Sekarang, para peneliti dari Stanford dan Uinversity of California mengatakan mereka telah menemukan " tanda tangan yang tak terbantahkan". (atau "bukti tak terbantahkan" atau " pistol merokok", frasa yang sering muncul di media tentang penemuan ini) yang menunjuk pada keberadaan fermion hipotetis ini.

"Tim kami memprediksi dengan tepat di mana menemukan fermion Majorana dan apa yang harus dicari sebagai tanda tangan eksperimentalnya ' bukti yang tak terbantahkan" Penemuan ini menyimpulkan salah satu penelitian paling intensif dalam fisika fundamental, yang telah berlangsung tepat 80 tahun.

Untuk membuat quasipartikel aneh ini muncul, tim dengan hati-hati membangun "minuman" mereka yang sangat spesifik (seperti dalam kondisi cair yang menghasilkan gelembung-gelembung), yang terdiri dari film tipis dari dua bahan kuantum yang ditumpuk di atas satu sama lain. Hasil akhirnya adalah isolator topologi superkonduktor, yang memungkinkan elektron untuk bergerak cepat di sepanjang tepi permukaanDengan menambahkan sejumput bahan magnetik ke dalam campuran, elektron mengalir ke satu arah di sepanjang satu sisi, dan ke arah yang berlawanan di sepanjang sisi lainnya.

Para peneliti kemudian mendistribusikan magnet di atas material, yang menyebabkan semua elektron melambat, berhenti, dan berganti arah Pembalikan terjadi dalam gerakan tersentak-sentak dan terhuyung-huyung yang dibandingkan tim dengan anak tangga di tangga. quasipartikel mulai muncul dari material secara berpasangan, berjalan di sepanjang jalur yang sama dengan elektron, tetapi ada satu perbedaan mendasar:Ketika mereka berhenti dan membalikkan gerakan, mereka melakukannya dalam "langkah" tepat setengah dari elektron. Hal ini karena masing-masing pada dasarnya hanya setengah dari partikel, karena salah satu dari setiap pasangan partikel semu hilang di sepanjang jalan. Dan fenomena ini persis merupakan bukti yang dicari para peneliti.

Zhang menyarankan agar penemuan tim ini disebut "partikel malaikat" mengacu pada novel Dan Brown Angels and Demons, yang menampilkan bom yang didukung oleh pertemuan materi dan antimateri. Dalam jangka panjang, fermion Majoranas dapat menemukan aplikasi praktis dalam membuat komputer kuantum lebih aman.

Penelitian

Pada tahun 1928, fisikawan Paul Dirac membuat prediksi yang menakjubkan bahwa setiap partikel fundamental di alam semesta memiliki antipartikel - yaitu, partikel kembaran yang identik tetapi bermuatan berlawanan (muatan listrik partikel dan antipartikel serta momen sudutnya memiliki nilai absolut yang sama dengan rekan simetrisnya, namun medan elektromagnetik memiliki tandabertentangan).

Ketika partikel dan antipartikel bertemu, mereka dimusnahkan, melepaskan sejumlah energi. Beberapa tahun kemudian, partikel antimateri pertama - kebalikan dari elektron, positron - ditemukan, dan antimateri dengan cepat menjadi bagian dari budaya populer.

Ketika sebuah partikel materi bertabrakan dengan antimateri, keduanya diubah menjadi energi murni, sebanding dengan massa yang dikonsumsi, menghasilkan energi menurut E = mc².

Tetapi pada tahun 1937, fisikawan brilian, Ettore Majorana, memperkenalkan sebuah twist: ia meramalkan bahwa dalam kelas partikel yang dikenal sebagai fermion, yang meliputi proton, neutron, elektron, neutrino, dan quark, harus ada partikel yang merupakan antipartikel mereka sendiri.

"Tim kami memprediksi dengan tepat di mana menemukan fermion Majorana dan apa yang harus dicari sebagai "tanda tangan yang tidak diinginkan" eksperimentalnya," kata Zhang, seorang fisikawan teoretis dan salah satu penulis utama makalah penelitian. "Penemuan ini menyimpulkan salah satu penelitian paling intensif dalam fisika fundamental, yang telah berlangsung tepat 80 tahun."

Meskipun pencarian fermion yang terkenal tampaknya lebih intelektual daripada praktis, tambahnya, hal itu bisa memiliki implikasi kehidupan nyata dalam membangun komputer kuantum yang kuat, meskipun hal ini diakui sangat banyak di masa depan.

Jenis fermion Majorana tertentu, kata tim peneliti, dikenal sebagai fermion "kiral" karena bergerak di sepanjang jalur satu dimensi hanya dalam satu arah. Meskipun eksperimen yang menghasilkannya sangat sulit untuk dirancang, disiapkan, dan dilaksanakan, bukti yang mereka hasilkan jelas dan tidak ambigu, kata para peneliti.

"Penelitian ini merupakan puncak dari upaya bertahun-tahun untuk menemukan fermion Majorana kiral, dan akan menjadi tonggak sejarah di bidang ini," kata Tom Devereaux, direktur Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES) di Laboratorium Akselerator Nasional SLAC, di mana Zhang adalah peneliti utama.

"Tampaknya ini benar-benar merupakan pengamatan yang jelas tentang sesuatu yang baru," kata Frank Wilczek, seorang fisikawan teoretis dan pemenang Nobel di Massachusetts Institute of Technology (MIT), yang tidak terlibat dalam penelitian ini. "Ini tidak mengejutkan secara mendasar, karena fisikawan telah lama berpikir bahwa fermion Majorana dapat muncul dari jenis bahan yang digunakan dalam percobaan ini.Elemen-elemen yang belum pernah disatukan sebelumnya dan juga teknik di baliknya, merupakan tonggak sejarah nyata yang memungkinkan partikel kuantum jenis baru ini untuk diamati dengan cara yang jelas dan kuat."

Mencari "quasipartikel"

Prediksi Majorana hanya berlaku untuk fermion yang tidak memiliki muatan, seperti neutron dan neutrino. Para ilmuwan telah menemukan antipartikel untuk neutron, tetapi mereka memiliki alasan yang baik untuk percaya bahwa neutrino mungkin merupakan antipartikelnya sendiri, dan ada empat eksperimen yang sedang dilakukan untuk mencari tahu - melibatkan EXO-200, generasi terbaru dari Enriched Xenon Observatory (EXO), sebuah Observatorium Xenon yang Diperkaya Tetapi, eksperimen-eksperimen ini luar biasa sulit dan diperkirakan tidak akan menghasilkan jawaban dalam waktu kurang dari satu dekade atau lebih.

Sekitar sepuluh tahun yang lalu, para ilmuwan menyadari bahwa fermion Majorana juga dapat diciptakan dalam eksperimen yang mengeksplorasi fisika material - dan perlombaan pun dimulai untuk mewujudkannya.

Apa yang mereka cari adalah "quasipartikel" - eksitasi seperti partikel yang muncul dari perilaku kolektif elektron dalam bahan superkonduktor, yang menghantarkan listrik dengan efisiensi 100 persen ( baca artikel Science Today tentang quasipartikel di sini Proses yang memunculkan partikel semu ini mirip dengan cara energi ditransformasikan dalam ruang hampa udara menjadi partikel "virtual" yang berumur pendek dan kembali menjadi energi lagi, menurut persamaan Einstein yang terkenal, E = mc². Meskipun partikel semu tidak seperti partikel yang ditemukan di alam, namun partikel semu tetap dapat dianggap sebagai fermion Majorana yang nyata.

Selama lima tahun terakhir, para ilmuwan telah berhasil dengan pendekatan ini, melaporkan bahwa mereka telah melihat tanda tangan yang menjanjikan dari fermion Majorana dalam eksperimen yang melibatkan kawat nano superkonduktor.

Tetapi dalam kasus-kasus itu, partikel semu "terkurung" - terjebak di tempat tertentu, bukannya merambat melalui ruang dan waktu - dan sulit untuk mengetahui apakah efek lain berkontribusi pada sinyal yang dilihat para peneliti, menurut Zhang.

Pistol merokok - bukti panas

Dalam eksperimen terbaru di UCLA dan UC-Irvine, mengikuti rencana yang diusulkan oleh para peneliti Universitas Stanford, tim menumpuk film tipis dari dua bahan kuantum - superkonduktor dan isolator topologi magnetik - dan mengalirkan arus listrik melaluinya, semuanya di dalam ruang vakum es.

Film bagian atas adalah superkonduktor. Film bagian bawah adalah isolator topologis, yang hanya bekerja di sepanjang permukaan atau tepinya, tetapi tidak melalui medium. Dengan menyatukan keduanya, terciptalah isolator topologis superkonduktor, di mana elektron meluncur di sepanjang dua tepi permukaan material tanpa hambatan, seperti mobil di jalan raya.

Ini adalah ide Zhang untuk mengubah isolator topologi dengan menambahkan sedikit bahan magnetik ke dalamnya. Hal ini menyebabkan elektron mengalir satu arah di sepanjang salah satu tepi permukaan dan ke arah yang berlawanan di sepanjang tepi lainnya.

Kemudian, para peneliti melewatkan magnet di atas baterai, dan ini menyebabkan aliran elektron melambat, berhenti dan berubah arah. Perubahan ini tidak mulus, tetapi terjadi dalam langkah-langkah yang tiba-tiba, seperti "anak tangga yang identik pada tangga".

Pada titik-titik tertentu dalam siklus ini, quasipartikel Majorana muncul, muncul berpasangan dari lapisan superkonduktor dan bergerak di sepanjang tepi isolator topologis seperti halnya elektron. Salah satu anggota dari setiap pasangan dibelokkan dari jalur, memungkinkan para peneliti untuk dengan mudah mengukur fluks quasipartikel individual yang melanjutkan perjalanan mereka. Seperti elektron, merekamenurun, berhenti dan berubah arah - tetapi dalam "langkah" yang tingginya tepat setengah dari "langkah" yang disajikan elektron.

"Setengah langkah" ini adalah bukti panas (atau "bukti tak terbantahkan" atau " pistol jaket makan malam" ) yang dicari para peneliti.

Hasil penelitian ini tidak mungkin berpengaruh pada upaya untuk menentukan apakah neutrino adalah antipartikelnya sendiri, kata profesor fisika Universitas Stanford Giorgio Gratta, yang memainkan peran utama dalam desain dan perencanaan observatorium EXO-200.

"Partikel semu yang mereka amati pada dasarnya adalah eksitasi dalam bahan yang berperilaku seperti partikel Majorana," kata Gratta. "Tetapi mereka bukan partikel elementer dan dibuat sangat artifisial dalam bahan yang disiapkan secara khusus. Mereka sangat tidak mungkin terjadi di alam semesta, meskipun siapa kita untuk mengatakannya? Di sisi lain, neutrino ada di mana-mana," kata Gratta.dan jika mereka adalah partikel Majorana, kami akan menunjukkan bahwa alam tidak hanya membuat partikel-partikel semacam ini menjadi mungkin, tetapi pada kenyataannya telah benar-benar memenuhi alam semesta dengan mereka."

Ia menambahkan: "Yang paling menarik adalah, analogi dalam fisika telah terbukti sangat kuat. Dan meskipun keduanya adalah binatang yang sangat berbeda, proses yang berbeda, mungkin kita bisa menggunakan yang satu untuk memahami yang lain. Mungkin kita bisa menemukan sesuatu yang menarik bagi kita juga."

Partikel malaikat

Di masa depan, kata Zhang, fermion Majorana dapat digunakan untuk membangun komputer kuantum yang kuat yang tidak terganggu oleh "noise" lingkungan (gangguan lingkungan), yang telah menjadi hambatan utama bagi pengembangan peralatan tersebut. Karena setiap Majorana pada dasarnya adalah setengah dari partikel subatomik, satu fermion Majorana dapat digunakan untuk membangun komputer kuantum yang kuat. qubit informasi dapat disimpan dalam dua fermion Majorana yang benar-benar terpisah, mengurangi kemungkinan bahwa sesuatu dapat mengganggu mereka sekaligus dan menyebabkan mereka kehilangan informasi yang mereka bawa.

Untuk saat ini, ia menyarankan sebuah nama untuk fermion kiral Majorana yang ditemukan timnya: "partikel malaikat", mengacu pada novel suspense terlaris tahun 2000-an: Angels and Demons karya Dan Brown. Dalam novel tersebut, sebuah persaudaraan rahasia berencana untuk meledakkan Vatikan dengan bom waktu, yang daya ledaknya berasal dari pemusnahan materi dan antimateri. Berbeda dengan buku tersebut, iamencatat, di dunia kuantum fermion Majorana hanya ada malaikat - tidak ada setan. sumber ;

CHUI, Glennda. "Eksperimen yang diusulkan oleh para ahli teori Stanford menemukan bukti untuk fermion Majorana, sebuah partikel yang merupakan antipartikelnya sendiri", Stanford News, 2017.

Diakses 27/0/2017;

IRVING, Michael. "Ilmuwan menemukan 'partikel malaikat' yang merupakan antipartikelnya sendiri", 2017, New Atlas. diakses 27/0/2017;

CONOVER, Emily. "Majorana fermion terdeteksi dalam kue lapis kuantum," 2017, Science News. diakses 27/0/2017;

O'CALLAGHAN, Jonthan. "Peneliti Menemukan "Partikel Malaikat" Yang Merupakan Materi Dan Antimateri Sekaligus" Diakses 27/0/2017.

Ricky Joseph adalah seorang pencari ilmu. Dia sangat percaya bahwa dengan memahami dunia di sekitar kita, kita dapat bekerja untuk memperbaiki diri kita sendiri dan masyarakat kita secara keseluruhan. Karena itu, dia menjadikan misi hidupnya untuk belajar sebanyak mungkin tentang dunia dan penghuninya. Joseph telah bekerja di berbagai bidang, semuanya dengan tujuan untuk memajukan pengetahuannya. Dia telah menjadi guru, tentara, dan pengusaha - tetapi hasrat sejatinya terletak pada penelitian. Dia saat ini bekerja sebagai ilmuwan riset untuk sebuah perusahaan farmasi besar, di mana dia berdedikasi untuk menemukan pengobatan baru untuk penyakit yang telah lama dianggap tidak dapat disembuhkan. Melalui ketekunan dan kerja kerasnya, Ricky Joseph telah menjadi salah satu ahli farmakologi dan kimia obat terkemuka di dunia. Namanya dikenal oleh para ilmuwan di mana-mana, dan karyanya terus meningkatkan taraf hidup jutaan orang.